Introduzione

I mattoni sono stati un materiale di costruzione fondamentale per millenni, offrendo durata, resistenza al fuoco e versatilità estetica. Tuttavia, come i costi energetici aumentano e la sostenibilità diventa una priorità, le prestazioni termiche delle pareti in mattoni si sono spostate all'avanguardia del design dell'edificio. La scelta del tipo di mattone colpisce direttamente i carichi di riscaldamento e raffreddamento di un edificio, il comfort degli occupanti e l'impronta ambientale a lungo termine.

Mentre i mattoni solidi tradizionali sono forti ed esteticamente gradevoli, spesso richiedono un isolamento supplementare per soddisfare il codice. Al contrario, mattoni vuoti, mattoni a cenere, blocchi di cemento aerato autoclavato (AAC) e diversi altri tipi di mattoni specializzati offrono caratteristiche di isolamento strutturale notevolmente migliore. Capire queste differenze è essenziale per la progettazione di buste di costruzione ad alte prestazioni che riducono il consumo di energia.

Comprensione della conducibilità termica e dell'isolamento

La conducibilità termica (k-value) è la misura di come il calore passa facilmente attraverso un materiale. Si esprime in watt per metro-kelvin (W/m·K). I valori di k inferiori indicano un migliore isolamento perché il materiale resiste più efficacemente al flusso di calore. Per i mattoni, il valore k è fortemente influenzato dalla densità materiale, dalla porosità e dal contenuto di umidità.

I professionisti dell'edilizia usano anche R-value (resistenza termica per spessore unitario) e U-value (coefficiente di trasferimento termico) per valutare i gruppi di parete. R-value è semplicemente il reciproco di valore k moltiplicato per spessore; i valori R-più elevati significano un migliore isolamento. Quando si progetta una parete di mattoni, è importante considerare sia il mattone stesso che qualsiasi strato adiacente come isolamento cavità, barriere d'aria e rivestimento.

Il meccanismo primario dietro l'isolamento dei mattoni è il innesto dell'aria all'interno del materiale. L'aria ha una conducibilità termica molto bassa (circa 0,026  W/m·K a temperatura ambiente). Pertanto, i mattoni che contengono molte piccole tasche dell'aria chiuse trasferiscono calore più lentamente dei materiali densi e privi di pori. Tuttavia, l'umidità può aumentare notevolmente la conducibilità: l'acqua conduce calore circa 25 volte più veloce dell'aria, in modo di mantenere i mattoni a secco le prestazioni.

Tipi di mattoni comuni e loro proprietà termiche

Solido mattoni di argilla

I mattoni a argilla solida tradizionali sono realizzati in argilla cotta con porosità minima. La loro struttura densa conferisce loro elevata resistenza alla compressione e una durata eccellente, ma scarsa isolamento. La conducibilità termica tipica per mattoni argillosi solidi varia da 0,60 a 0,80 & nbsp; W/m·K. In una parete di spessore 200  mm, questo corrisponde ad un valore R di circa 0,25–0.33 m2

Mattoni di argilla Hollow (forati e forati verticalmente)

I mattoni oleosi contengono vuoti costruiti appositamente, spesso disposti in file, che intrappolano l'aria e riducono il trasferimento di calore. A seconda della geometria e della percentuale del vuoto (di solito 25–50%), la conducibilità termica scende a 0,35–0,55 & nbsp; W/m·K. Alcuni moderni mattoni argillosi verticali perforati raggiungono valori k come 0.20 & nbsp; W/m·K ampiamente utilizzati quando combinati

Mattoni di cenere mosca

I mattoni di cenere mosca sono prodotti da sottoprodotti di combustione del carbone, calce, gesso e un agente schiumogeno. La loro struttura porosa li rende più leggeri di mattoni di argilla solida, con conducibilità termica nell'intervallo di 0,45–0,60  W/m·K. I mattoni di cenere mosca sono più rispettosi dell'ambiente perché utilizzano rifiuti industriali e richiedono meno energia per produrre.

Mattoni e blocchi in cemento

I mattoni di cemento densi standard hanno elevata conducibilità termica, di solito 0,80–1,40 & nbsp; W/m·K, rendendoli poveri isolatori. Mattoni di cemento leggero, che utilizzano aggregati espansi come perlite, vermiculite o pumice, possono raggiungere i valori k di 0,20–0.40 & nbsp; W/m·K.

Mattoni di silicato di calcio

I mattoni di silicato di calcio (sabbia e calce) sono prodotti reagendo calce con sabbia sotto vapore ad alta pressione, con una struttura densa e uniforme con bassa porosità, che porta a conducibilità termica di 0.70–1.00  W/m·K. Le loro prestazioni di isolamento sono paragonabili a mattoni di argilla solida. Sono apprezzati per il loro aspetto coerente, ma raramente sono scelti per l'efficienza termica.

Ingegneria Mattoni

I mattoni di ingegneria sono sparati a temperature molto elevate per produrre un corpo denso e a bassa porosità, offrono una resistenza eccezionale e un basso assorbimento dell'acqua, ma la conducibilità termica è elevata (0.80–1.20 W/m·K). La loro applicazione primaria è in fondazioni, mantenendo pareti e altre aree dove la resistenza al gelo e all'acqua è critica, non isolante.

Mattoni in ceramica e smaltati

I mattoni in ceramica con superficie smaltata aggiungono valore estetico e un rivestimento protettivo. Lo smalto stesso non altera significativamente le prestazioni termiche; il corpo in mattoni determina l'isolamento. La maggior parte dei mattoni in ceramica sono simili a mattoni in argilla solida o in mattoni argillosi vuoti, con valori k negli stessi intervalli.

Porosità e ingresso aria: La chiave per l'isolamento

La porosità è la frazione dello spazio vuoto all'interno di un mattone, controlla direttamente la conducibilità termica. Tre tipi di pori influenzano il trasferimento di calore:

  • Closed pores[[] – Tasche a aria isolate che intrappolano l'aria, fornendo un eccellente isolamento.
  • I pori aperti[] – I vuoti interconnessi che permettono il movimento dell'aria e possono essere riempiti di acqua, riducendo l'isolamento.
  • I micropores di macro-pores[[] – I pori più piccoli promuovono una minore conducibilità perché riducono la convezione all'interno del vuoto.

Per i mattoni di argilla, l'aggiunta di materiali combustibili come segatura o perline di polistirolo che bruciano durante il fuoco crea piccoli vuoti. Gli agenti di schiumatura sono utilizzati nella cenere mosca e nella produzione di AAC per creare micro-porosità omogenea. Le dimensioni, la distribuzione e la connettività dei pori sono importanti come porosity totale.

I mattoni umidi possono avere conducibilità termica da due a tre volte superiore a mattoni secchi. I lampi giusti, i ritardanti di vapore e i piani di drenaggio sono essenziali per mantenere le pareti di mattoni asciutti e mantenere le loro prestazioni termiche.

Analisi comparativa della resistenza termica

La seguente lista fornisce valori tipici R-per pollice (25.4 mm) di spessore per i tipi di mattoni comuni. I valori effettivi dipendono dalla densità, dall'umidità e dalle variazioni di produzione.

  • Mattoni di argilla solida:[ R-value ≈ 0.04–0.07 per pollice (k = 0.60–0.80 W/m·K)
  • mattone di argilla (standard): R-value ≈ 0.07–0.12 per pollice (k = 0.35–0.55 W/m·K)
  • mattoni cavi ad alte prestazioni (riempiti):[ R-value ≈ 0.15–0.25 per pollice (k = 0.15–0.25 W/m·K)
  • Mattone di cenere:[ R-value ≈ 0.05–0.10 per pollice (k = 0.45–0.60 W/m·K)
  • mattone leggero in cemento:[ R-value ≈ 0.10–0.25 per pollice (k = 0.20–0.40 W/m·K)
  • blocco AAC (calco aerato automatico): R-value ≈ 0.30–0.60 per pollice (k = 0.08–0.18 W/m·K)
  • mattone di silicato di calcio:[ R-value ≈ 0.04–0.06 per pollice (k = 0.70–1.00 W/m·K)

Per riferimento, un tipico codice di costruzione in un clima freddo richiede un valore R-value di almeno 20 (SI ≈ 3.5  m2·K/W) per pareti esterne. Un isolamento solido di argilla da 200 mm (8′) fornisce un valore R-sp-value di solo 0,5–0.7 m2·K/W. Per soddisfare il codice, l'isolamento cavità supplementare (ad esempio, lana di schiuma rigida è necessaria).

Applicazione nella progettazione di edifici

Assemblaggi di parete

La maggior parte degli edifici in mattoni a basso consumo energetico utilizza la costruzione di pareti a cavità: una foglia esterna in mattoni (sia solida che cava) separata da una cavità d'aria isolata da una foglia interna di blocco di cemento, AAC o telaio in legno. Il mattone esterno agisce come uno schermo a pioggia e fornisce supporto strutturale, mentre l'isolamento nella cavità gestisce il carico termico.

Interno vs. Uso esterno

Per pareti divisorie interne, l'isolamento termico è meno critico. L'argilla solida o mattoni di cemento possono essere utilizzati senza preoccupazione. Per pareti esterne, mattoni vuoti o AAC sono preferiti perché riducono il bordo freddo e migliorano le prestazioni della busta generale.

Codici di Riunione Energia

Molte giurisdizioni hanno adottato codici energetici rigorosi (ad esempio, IECC, ASHRAE 90.1 negli Stati Uniti; Parte L nel Regno Unito; EnEV in Germania). Questi codici specificano valori minimi R o U-value per l'intero montaggio a parete. Quando si selezionano mattoni per un design conforme all'energia, è essenziale consultare un software di modellazione di edifici k-fisicist o utilizzare il software di modellazione dell'energia per verificare che i produttori soddisfano il tipo di mattoni locali.

Considerazioni climatiche

Clima caldi

Nelle regioni calde, aride o umide, ridurre il guadagno di calore è l'obiettivo primario. I mattoni di colore chiaro riflettono più radiazione solare. I mattoni con massa termica elevata (come l'argilla solida densa) possono aiutare a stabilizzare le temperature interne assorbendo il calore durante il giorno e rilasciandolo di notte. Tuttavia, devono essere abbinati con ombra esterna o isolamento per evitare il surriscaldamento.

Clima freddo

Nelle regioni fredde, la bassa conducibilità termica è fondamentale. I mattoni isolanti (AAC, cavo ad alte prestazioni) riducono la perdita di calore attraverso le pareti. La massa termica può essere utile se l'edificio è occupato durante il giorno e il guadagno solare è disponibile, ma in edifici continuamente riscaldati, pareti di massa elevate con isolamento basso può effettivamente aumentare la perdita di calore perché immagazzinano il calore solo per perderlo più tardi.

Clima misti HuMid

Questi climi richiedono sia il controllo del guadagno termico in estate che la riduzione della perdita di calore in inverno. Un approccio equilibrato utilizzando pareti di cavità in mattoni isolati con finiture esterne vaporizzatori bene funziona.

Innovazioni in isolamento di mattoni

La ricerca dei materiali da costruzione continua a spingere i confini dell'isolamento dei mattoni.

  • Vacuum Insulated Bricks (VIBs)]: Questi mattoni incorporano un nucleo del pannello di vuoto che può raggiungere valori k a partire da 0.005 W/m·K. Attualmente sono costosi e vulnerabili alle punture, ma offrono un isolamento eccezionale nei profili sottili.
  • Materiale per il cambiamento di fase (PCM)-infuso mattoni[[]: PCM assorbire e rilasciare energia termica durante le transizioni di fase (ad esempio, fusione e congelamento).Quando integrato in pori di mattoni, aggiungono capacità di stoccaggio termico, lisciando oscillazioni di temperatura interna.
  • mattoni incorporati aerogel[[]: Aerogel è un solido ad ultra-bassa densità con valori di k inferiori a 0,020 W/m·K. L'aggiunta di granuli aerogel alla produzione di mattoni può ridurre notevolmente la conducibilità.
  • Mattoni riciclati[]: I mattoni realizzati con materiali di scarto (vetro, plastica, gomma) hanno spesso migliorato la porosità e una minore conducibilità termica rispetto all'argilla vergine, riducendo anche l'impatto ambientale e guadagnando interesse sul mercato.

Raccomandazioni pratiche per costruttori e proprietari di casa

  • Prioritizzare la continuità della busta da costruzione:[ Anche il miglior mattone isolante non può compensare i dettagli poveri intorno a finestre, porte e giunzioni.
  • Considerare l'intero assemblaggio della parete:[ Il valore R- del mattone è solo un componente. Fattore nell'isolamento della cavità, nella guaina, nelle barriere dell'aria e nelle finiture interne.
  • Controllare i codici di costruzione locali:[] Consultare un architetto o un consulente energetico per garantire il rispetto degli ultimi standard di efficienza energetica.
  • Evaluate il costo del ciclo di vita:[[ I mattoni ad alte prestazioni (AAC, cavo ad alte prestazioni) possono avere un costo superiore, ma possono ridurre le bollette di riscaldamento e raffreddamento, spesso fornendo un rimborso entro pochi anni.
  • Cerca prodotti certificati:[ Molti produttori di mattoni forniscono dati di conducibilità termica verificati da terzi. Cercare etichette da organizzazioni come ASTM, CEN, o l'Associazione Brick Industry (]gobrick.com]]).

Conclusioni

Le proprietà di isolamento termico dei mattoni variano ampiamente - dalla scarsa prestazione di argilla solida densa (k ≈ 0.70 W/m·K) alla notevole capacità isolante di AAC (k ≈ 0.12  W/m·K). Comprendendo queste differenze consente ai professionisti di costruzione di selezionare il tipo di mattoni giusto per ogni progetto, bilanciando le esigenze strutturali, l'estetica e l'efficienza energetica dei mattoni.

Per ulteriori informazioni, il ] Dipartimento dell'energia[] fornisce guide sull'isolamento delle pareti, e il ]Building Science Corporation offre documenti tecnici sulle prestazioni termiche della muratura.