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La risposta in breve
Per stabilire se una conducibilità termica sia «sufficientemente bassa», non basta considerare un singolo numero. Occorre porsi due domande: il materiale soddisfa i requisiti di base per l’isolamento termico? E quanto è basso il suo valore rispetto a quello di altri isolanti?
Il materiale soddisfa i requisiti di base per l’isolamento termico?
Secondo alcune specifiche tecniche relative all’isolamento di apparecchiature e tubazioni, i materiali con una conducibilità termica inferiore a circa 0,12 W/(m·K), in condizioni operative definite, possono essere classificati come materiali isolanti termici. La soglia esatta dipende però dalla norma applicabile, dalla temperatura media, dal tipo di materiale e dall’uso previsto.
Il valore di 0,12 W/(m·K) non costituisce quindi una soglia universale per tutti gli isolanti e tutte le applicazioni.
Quanto è basso il valore rispetto a quello di altri isolanti?
Nella pratica ingegneristica, i valori di conducibilità termica possono essere raggruppati in diverse fasce indicative, utili per confrontare le prestazioni dei materiali.
Le principali fasce di conducibilità termica degli isolanti
1) 0,040–0,045 W/(m·K): una fascia comune per gli isolanti convenzionali
Molti materiali isolanti convenzionali rientrano in questa fascia.
Le loro prestazioni termiche dipendono spesso in larga misura dall’aria intrappolata e relativamente immobile. Le strutture fibrose o le schiume polimeriche formano pori o celle che limitano il movimento dell’aria e riducono il trasferimento di calore.
Tra i materiali che possono rientrare in questa fascia figurano alcune lane minerali, polimeri espansi e altri prodotti isolanti convenzionali.
2) 0,030–0,035 W/(m·K): isolanti convenzionali ad alte prestazioni
I materiali di questa fascia adottano generalmente strutture o formulazioni più avanzate. La composizione chimica e la microstruttura assumono un’importanza crescente. Ad esempio:
• L’EPS modificato con grafite incorpora additivi che assorbono o riflettono la radiazione infrarossa, contribuendo a ridurre il trasferimento di calore per irraggiamento.
• Le schiume rigide PUR e PIR possono presentare strutture a celle chiuse contenenti gas espandenti con una conducibilità termica inferiore a quella dell’aria.
3) Circa 0,026 W/(m·K): il riferimento dell’aria ferma
L’aria secca e ferma, a temperature prossime a quella ambiente, ha una conducibilità termica di circa 0,026 W/(m·K).
È un riferimento importante, perché molti isolanti convenzionali fibrosi o cellulari devono gran parte delle loro prestazioni alla capacità di intrappolare l’aria.
Questo valore non rappresenta però un limite fisico assoluto per tutti gli isolanti. Controllando la dimensione dei pori, la composizione del gas, la pressione o la struttura su scala nanometrica, i materiali avanzati possono ridurre il trasferimento di calore in fase gassosa al di sotto del livello dell’aria ferma non confinata.
4) Circa 0,015–0,020 W/(m·K): isolanti nanoporosi
I materiali nanoporosi ad alte prestazioni possono raggiungere una conducibilità termica inferiore a quella dell’aria ferma.
Gli aerogel di silice realizzati su scala di laboratorio possono raggiungere valori di circa 0,012–0,015 W/(m·K) in condizioni appropriate. Molti compositi a base di aerogel utilizzati nella pratica e altri isolanti nanoporosi si collocano invece nell’intervallo di circa 0,015–0,020 W/(m·K).
Y-Warm è un materiale isolante termico flessibile e nanoporoso con una conducibilità termica di circa 0,020 W/(m·K) in condizioni di prova specificate.
5) Circa 0,004–0,008 W/(m·K): sistemi di isolamento sottovuoto
I pannelli isolanti sottovuoto (VIP) possono raggiungere una conducibilità termica effettiva di circa 0,004–0,008 W/(m·K).
Il termine «effettiva» è essenziale: questi valori descrivono le prestazioni di un sistema isolante composto da un nucleo evacuato e da un involucro a tenuta di gas. Non rappresentano la conducibilità termica intrinseca di un singolo materiale omogeneo.
Quali condizioni bisogna considerare?
Un valore di conducibilità termica è significativo solo se sono note le condizioni in cui è stato misurato.
1) Temperatura
La conducibilità termica dipende dalla temperatura. Per molti isolanti, aumenta al crescere della temperatura media.
La lana di roccia, ad esempio, può avere una conducibilità termica di circa 0,035–0,040 W/(m·K) in prossimità della temperatura ambiente, mentre a diverse centinaia di gradi Celsius il valore può essere sensibilmente più elevato.
Anche in prossimità della temperatura ambiente, differenze nella temperatura media di prova possono influire sul risultato riportato. Per questo, i valori di λ misurati a temperature diverse non devono essere confrontati senza le opportune correzioni.
La domanda importante non è soltanto «Qual è la conducibilità termica?», ma anche «A quale temperatura media è stato misurato questo valore?».
2) Invecchiamento e contenuto di umidità
Le proprietà di alcuni isolanti cambiano nel tempo.
Le schiume rigide di poliuretano e PIR, ad esempio, possono inizialmente contenere nelle celle gas espandenti a bassa conducibilità termica. Man mano che questi gas diffondono verso l’esterno e vengono sostituiti dall’aria, la conducibilità termica può aumentare. I valori a lungo termine o dopo invecchiamento sono quindi spesso più significativi di quelli misurati subito dopo la produzione.
L’umidità può avere un effetto ancora maggiore. L’acqua liquida ha una conducibilità termica di circa 0,6 W/(m·K), molto superiore a quella dell’aria ferma. Se un isolante assorbe acqua o si inumidisce, la sua conducibilità termica effettiva può aumentare sensibilmente.
I valori di conducibilità termica allo stato secco e allo stato umido non sono quindi intercambiabili.
3) Valore iniziale, valore dichiarato e valore di progetto
Per uno stesso prodotto isolante possono essere indicati diversi valori di λ.
Valore iniziale: il valore misurato poco dopo la produzione.
Valore dichiarato: un valore prestazionale dichiarato dal produttore, determinato secondo la norma di prodotto pertinente e i requisiti statistici o di invecchiamento.
Valore di progetto: il valore utilizzato dagli ingegneri nei calcoli di progetto dopo aver considerato fattori come temperatura, umidità, invecchiamento e condizioni di installazione.
Per questo, due schede tecniche possono riportare conducibilità termiche diverse anche quando i materiali di base sono simili.
4) Requisiti dell’applicazione
Il significato di una conducibilità termica «bassa» dipende dall’impiego previsto.
Nell’isolamento degli edifici, dove può essere disponibile uno spessore considerevole, un materiale con λ pari a 0,035–0,040 W/(m·K) può offrire un’eccellente resistenza termica complessiva, purché venga impiegato con uno spessore sufficiente.
Nell’abbigliamento, nelle calzature e nei guanti, nel settore aerospaziale e nelle apparecchiature compatte, lo spazio disponibile può invece limitarsi a pochi millimetri. La domanda tecnica diventa allora: quale resistenza termica può offrire il materiale con uno spessore e un peso molto limitati?
Y-Warm, ad esempio, è progettato come materiale isolante sottile e flessibile per applicazioni in cui sono importanti lo spazio disponibile, la flessibilità e l’indossabilità. Alcuni prodotti Y-Warm hanno uno spessore di circa 0,7 mm, che consente di integrare uno strato isolante nei prodotti senza dipendere esclusivamente da strutture voluminose e soffici.
Per i sistemi di abbigliamento, tuttavia, la capacità isolante complessiva non va valutata soltanto sulla base della conducibilità termica del materiale. Contano anche la resistenza termica del capo, la sua costruzione e vestibilità, gli strati d’aria, le condizioni di umidità e le misurazioni sull’intero indumento, espresse ad esempio in clo.
Conclusione
Non esiste un’unica soglia universale per definire «bassa» una conducibilità termica. Come orientamento ingegneristico generale, si possono considerare le seguenti fasce:
• 0,040–0,045 W/(m·K): una fascia tipica di molti isolanti convenzionali.
• 0,030–0,035 W/(m·K): una fascia associata agli isolanti convenzionali ad alte prestazioni.
• Circa 0,026 W/(m·K): il riferimento dell’aria ferma a temperature prossime a quella ambiente.
• 0,015–0,020 W/(m·K): una fascia caratteristica di alcuni isolanti nanoporosi ad alte prestazioni.
• 0,004–0,008 W/(m·K): una fascia raggiungibile dai sistemi di isolamento sottovuoto in condizioni appropriate.
Ogni valore di conducibilità termica va interpretato considerando temperatura, metodo di prova, invecchiamento, contenuto di umidità, spessore e condizioni di applicazione.
Nella pratica ingegneristica, il materiale più adatto è quello che fornisce la resistenza termica richiesta rispettando i vincoli di spessore, peso, durabilità, facilità di fabbricazione, sicurezza, comfort e costo. Il valore di λ più basso, da solo, non determina la scelta migliore.
5. Domande frequenti
1) Una conducibilità termica di 0,04 W/(m·K) è considerata bassa?
Sì. Rispetto ai comuni materiali strutturali, un valore di circa 0,04 W/(m·K) è generalmente considerato basso e rientra nella fascia abituale dei prodotti isolanti convenzionali.
La sua adeguatezza dipende però dall’applicazione. Per una parete che può accogliere diversi centimetri di isolante, 0,040 W/(m·K) può essere del tutto sufficiente. Se sono disponibili soltanto pochi millimetri di spessore, una conducibilità termica più bassa può diventare molto più importante.
2) Che cosa indica il riferimento dell’aria ferma di 0,026 W/(m·K)?
Indica approssimativamente la conducibilità termica dell’aria secca e ferma a temperature prossime a quella ambiente e a pressione atmosferica.
Molti isolanti porosi tradizionali funzionano intrappolando l’aria e limitandone il movimento: per questo, il valore rappresenta un riferimento importante.
I materiali nanoporosi avanzati possono confinare il gas in pori estremamente piccoli e ridurre così la conduzione termica in fase gassosa al di sotto del livello dell’aria ferma non confinata.
3) Due isolanti differiscono di soli 0,003 W/(m·K). Vale la pena pagare di più per il valore inferiore?
Dipende dall’applicazione. Se è facile aumentare lo spessore, una piccola differenza di λ può essere compensata utilizzando una quantità leggermente maggiore di materiale.
A spessore fisso, invece, anche una differenza relativamente piccola nella conducibilità termica può produrre una differenza significativa nella resistenza termica.
Il confronto deve quindi considerare, oltre a λ, il valore R richiesto, lo spessore disponibile, il costo per unità di superficie, il peso, la durabilità, i vincoli di installazione e le prestazioni a lungo termine.
4) Perché i produttori riportano conducibilità termiche diverse per materiali simili?
Le differenze possono dipendere dalla temperatura media di prova, dal metodo di prova, dalla densità, dallo spessore del campione e dal contenuto di umidità. Inoltre, i valori possono riferirsi alle prestazioni iniziali o dopo invecchiamento, oppure essere valori dichiarati o valori di progetto.
Per un confronto significativo, le condizioni di prova devono essere comparabili. Occorre anche conoscere la natura del valore riportato.
5) Qual è la differenza tra valore dichiarato e valore di progetto?
Il valore dichiarato è un valore standardizzato delle prestazioni del prodotto, riportato secondo la norma di prodotto pertinente.
Il valore di progetto viene utilizzato dagli ingegneri dopo aver applicato le correzioni necessarie per le condizioni operative effettive, come temperatura, umidità, invecchiamento e installazione.
Il valore di progetto può quindi essere superiore a quello dichiarato.
6) Perché i pannelli isolanti sottovuoto non vengono utilizzati ovunque, nonostante la loro conducibilità termica molto bassa?
I VIP offrono prestazioni termiche elevate, ma presentano anche limiti pratici, che possono includere:
• sensibilità alla perforazione o al danneggiamento dell’involucro a tenuta di gas;
• perdita di prestazioni se il vuoto si deteriora;
• possibilità limitate di tagliare o modificare i pannelli sul luogo di installazione;
• ponti termici in corrispondenza dei bordi e dei giunti;
• costi più elevati;
• requisiti di installazione più complessi.
La soluzione con la conducibilità termica effettiva più bassa non è quindi sempre la più pratica.
7) Una bassa conducibilità termica si valuta allo stesso modo nell’isolamento edilizio e in quello industriale?
No. Gli isolanti per edifici vengono generalmente valutati in condizioni prossime alle normali temperature di esercizio, mentre quelli industriali possono operare a temperature molto più alte o più basse.
Un materiale con una conducibilità termica di 0,08 W/(m·K) a una temperatura media di 300 °C può essere adatto a un’applicazione industriale ad alta temperatura. Lo stesso valore non sarebbe però considerato particolarmente basso per l’isolamento edilizio a temperatura ambiente.
La temperatura di impiego va sempre presa in considerazione.
8) La conducibilità termica più bassa garantisce l’isolamento migliore e la massima efficienza energetica?
No. Un valore di λ basso descrive soprattutto la capacità del materiale di limitare il trasferimento di calore per conduzione.
Le prestazioni effettive del sistema dipendono anche da spessore del materiale, irraggiamento, convezione, ponti termici, giunti e cuciture, umidità, qualità dell’installazione, invecchiamento e durabilità meccanica.
Il valore di λ più basso non garantisce quindi il sistema isolante più efficace nelle condizioni reali.
9) È possibile valutare la capacità isolante di un indumento attraverso la conducibilità termica?
La conducibilità termica caratterizza il materiale isolante in sé, ma non descrive completamente la capacità isolante di un capo finito. Per l’abbigliamento, la resistenza termica complessiva è spesso più significativa.
Un’unità comunemente utilizzata è il clo:
1 clo = 0,155 m²·K/W
Il valore in clo riflette l’isolamento termico del sistema di abbigliamento nel suo complesso, compreso il contributo degli strati di materiale, dell’aria intrappolata, della costruzione del capo e della vestibilità.
