Quanto sono efficaci i materiali super-isolanti come l’aerogel?

Università e Scuola Edile insieme per sperimentare l’innovazione in edilizia

aerogel
Credits: Kevin Baird (CC BY-NC-ND 2.0)

di Francesco Asdrubali e Paola Marrone

Le attività di Terza Missione delle Università sono un’importante occasione di trasferimento di conoscenze e di verifica dei loro esiti in termini di possibili applicazioni. È questo il caso della sperimentazione condotta dal Dipartimento di Architettura e dal Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre con il CEFMECTP (Organismo paritetico per la formazione e la sicurezza in edilizia di Roma e provincia)* sulle prestazioni termiche di un sistema di isolamento a cappotto esterno realizzato con pannelli in aerogel. 

Da molti anni il gruppo di ricerca dell’Università Roma Tre si occupa di materiali e tecnologie per l’efficientamento energetico degli edifici, mentre il CEFMECTP ha sempre più posto attenzione all’aggiornamento delle competenze professionali delle maestranze edili sia attraverso collaborazioni con aziende del settore delle costruzioni sia con programmi di ricerca svolti anche con le stesse Università del Lazio.

In questo articolo è presentata la prima delle collaborazioni con l’Università Roma Tre che riguarda una sperimentazione sulle prestazioni dell’aerogel, soprattutto in relazione a interventi di retrofit energetico su edifici esistenti.

L’aerogel è, infatti, uno tra i prodotti innovativi di maggior interesse per il prossimo futuro in ragione del miglioramento delle prestazioni termiche dell’involucro opaco e trasparente, delle dispersioni termiche e dell’incremento dello sfasamento termico, soprattutto nella riqualificazione energetica di edifici esistenti. Accanto ai tradizionali isolanti a base di materiali inorganici od organici, l’aerogel appartiene, infatti, alla categoria dei materiali super-isolanti caratterizzati da una conducibilità termica inferiore a 0.020 W/mK, rispetto sia a quella dei materiali tradizionali (lana di roccia o lana di vetro) pari a 0.03-0.04 W/m, sia a quella dei materiali di transizione, quali il poliuretano o il propilene espansi, con valori compresi tra 0.02 e 0.03 W/mK. Inoltre, proprio per le alte prestazioni, permette di avere una riduzione significativa degli spessori di materiale, a parità di prestazioni. Tuttavia, sebbene le alte prestazioni siano oramai note, l’alto costo del materiale ne ha limitato fortemente l’applicazione diffusa all’edilizia, in parte superata con l’introduzione dei vari incentivi fiscali.

La prima sperimentazione è stata condotta con una campagna di monitoraggio su due identici piccoli edifici in muratura portante in blocchi di tufo e soletta in calcestruzzo armato, rivestiti internamente ed esternamente con intonaco cementizio. Uno dei due è stato interamente isolato all’esterno con pannelli in aerogel dello spessore rispettivamente di 1 cm per le pareti perimetrali e di 4 cm per il tetto, mentre il secondo, privo di isolamento in aerogel, è stato usato come edificio di riferimento. Il cappotto esterno è stato realizzato con pannelli semirigidi (mm 1400×720), formati da uno strato di aerogel di silice rinforzata con fibre in PET (feltro), idrorepellente e traspirante, con densità volumetrica pari a 230 kg/m³, conduttività termica pari a 0,015 W/mK, e calore specifico di 1000 J/kgK. La finitura esterna del cappotto è stata realizzata con pannelli di fibrocemento, anch’essi montati a secco tramite tasselli.

Figura 1. Immagine degli edifici analizzati (a), del caso studio (b), del sistema a cappotto in fase di installazione (c) e ad installazione terminata (d).

Al fine di confrontare e quantificare i diversi comportamenti termici delle pareti, la verifica delle prestazioni è avvenuta misurando le temperature superficiali delle pareti esposte a Nord-Ovest, le temperature dell’aria interna ed esterna, e i flussi termici scambiati attraverso le pareti stesse, sia nell’edificio originale (edificio di riferimento) che in quello coibentato. Sono state eseguite misure di trasmittanza termica (U) in accordo con la norma ISO 9869-1, valutando inoltre l’andamento delle temperature superficiali interne ed esterne delle pareti per il calcolo dei fattori di attenuazione (DF) e sfasamento (PS). Inoltre, sono state misurate le temperature dell’aria interna ed esterna alle strutture. Tutti i sensori sono stati connessi a un data-logger per la registrazione dati. 

Sono stati considerati differenti scenari in termini di tempi di accensione e spegnimento del sistema di riscaldamento (realizzato con termoventilatori elettrici opportunamente schermati per evitare effetti disturbanti diretti sui sensori). Il primo scenario ha riguardato un periodo di cinque giorni in cui all’interno dei due edifici i sistemi di riscaldamento sono rimasti spenti (questo primo scenario è stato definito “Free-floating”). Nel secondo scenario, denominato “On”, i sistemi di riscaldamento all’interno dei due casi di studio sono rimasti ininterrottamente accesi per quattro giorni e, al termine della fase di riscaldamento, è stata valutata la terza fase di raffreddamento delle due strutture durante i 3 giorni successivi, denominata “On Transitorio”. Infine, nell’ultimo scenario (denominato “On-Off”) si è studiato il comportamento termico delle due strutture accendendo i sistemi di riscaldamento per nove ore al giorno, simulando quindi un impianto di riscaldamento a funzionamento intermittente.

Figura 2. Immagine illustrativa della strumentazione applicata nell’edificio di riferimento (a) e nell’edificio coibentato (b).

I dati hanno confermato la ben nota capacità dell’aerogel di migliorare le prestazioni termiche degli involucri – pur con ridotti spessori di isolamento termico – con una riduzione della trasmittanza termica di circa il 28%. È stato, inoltre, misurato uno sfasamento medio superiore del 20% nell’edificio isolato rispetto a quello di riferimento e una diminuzione media dell’attenuazione di circa il 65 %.

I dati ottenuti dalla campagna sperimentale sono stati poi utilizzati per costruire un modello dinamico di simulazione energetica di un edificio ideale, più rappresentativo delle condizioni reali di un edificio con superfici trasparenti e spazi residenziali. Attraverso la simulazione dinamica, il risparmio energetico dovuto all’aerogel, valutato in un intero anno, è stata quantificato una riduzione della domanda di energia per il riscaldamento di circa l’11% rispetto ad altri isolanti comunemente usati.

* Hanno partecipato alla sperimentazione: Prof.ssa Paola Marrone, Prof.ssa Lucia Fontana, Arch. Ph.D Federico Orsini, assegnista di ricerca (Dipartimento di Architettura); Prof. Francesco Asdrubali, Ing. Claudia Guattari, Ing. Luca Evangelisti, Ing. Marta Roncone, dottoranda di ricerca (Dipartimento di Ingegneria); il Direttore Ing. Alfredo Simonetti, e l’Istruttore P.I. Mariano Formiconi del CEFMECTP.

Riferimenti:

  • Orsini, F., Marrone, P., Asdrubali, F., Roncone, M., Grazieschi, G. (2020) “Aerogel insulation in building energy retrofit. Performance testing and cost analysis on a case study in Rome”, in ICEER2020-7th International Conference on Energy and Environment Research: “Driving energy and environment in 2020 towards a sustainable future” 07-11 September 2020, in Energy Reports-Elsevier 6 (2020), pp.56-61 https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.10.045
  • Asdrubali, F., Marrone, P., Fontana, L., Orsini, F., Guattari, M.C., Evangelisti, L., et al. (2020) “Analisi sperimentale delle prestazioni termiche di un sistema di isolamento a cappotto con pannelli in aerogel”, in Atti del «XX Congresso Nazionale CIRIAF- Sviluppo Sostenibile Tutela dell’Ambiente e della Salute Umana» (pp.281-293). Perugia, Piazza Morlacchi 7/9: Morlacchi Editore University Press, CC BY 4.0 International (978-88-9392-190-9)

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