Fondamenti Termodinamici e Applicazioni nella Diagnostica Edilizia
Articolo tecnico-scientifico per professionisti del risanamento edilizio
Abstract
La corretta comprensione della differenza tra umidità relativa e umidità assoluta rappresenta un prerequisito fondamentale per i professionisti del risanamento edilizio. Questi due parametri psicrometrici, sebbene strettamente correlati, descrivono aspetti diversi del contenuto di vapore acqueo nell'aria e hanno implicazioni operative differenti nella diagnosi e nel trattamento delle patologie edilizie legate all'umidità. Il presente articolo fornisce una trattazione rigorosa dei fondamenti termodinamici, delle equazioni di calcolo e delle applicazioni pratiche nel campo della conservazione del patrimonio edilizio, con riferimento alle normative tecniche nazionali e internazionali.
1. Introduzione
L'umidità atmosferica influenza in modo determinante il comfort abitativo, la durabilità dei materiali da costruzione e l'efficienza energetica degli edifici. La comprensione dei meccanismi di trasferimento del vapore acqueo tra l'aria e le strutture edilizie richiede la padronanza di concetti termodinamici fondamentali che trovano espressione in grandezze fisiche specifiche, tra cui l'umidità relativa e l'umidità assoluta.
Nel contesto del risanamento edilizio, la distinzione tra questi due parametri assume particolare rilevanza nella diagnosi delle patologie umide, nella progettazione degli interventi di bonifica e nel monitoraggio dell'efficacia dei trattamenti. Una muratura affetta da umidità di risalita capillare, ad esempio, libera vapore acqueo nell'ambiente circostante modificando l'umidità assoluta dell'aria, mentre l'umidità relativa varierà in funzione della temperatura ambiente, determinando o meno fenomeni di condensazione superficiale.
2. Fondamenti Termodinamici
2.1 Pressione di vapore saturo
La pressione di vapore saturo (pws) rappresenta la pressione parziale del vapore acqueo in condizioni di equilibrio termodinamico con la fase liquida o solida dell'acqua, a una determinata temperatura. Questo parametro è fondamentale per la comprensione di tutti i fenomeni igrometrici e costituisce il riferimento per la definizione dell'umidità relativa.
La relazione tra pressione di vapore saturo e temperatura è descritta dall'equazione di Clausius-Clapeyron, che può essere approssimata attraverso diverse formulazioni empiriche. Tra le più utilizzate in ambito tecnico-scientifico si annoverano:
2.1.1 Equazione di Magnus-Tetens (forma ottimizzata)
L'equazione di Magnus-Tetens, nella forma ottimizzata da Alduchov e Eskridge (1996), pubblicata sul Journal of Applied Meteorology, è ampiamente impiegata per la sua semplicità e accuratezza nel range di temperature tipico delle applicazioni edilizie:
pws = 0,61094 × exp[(17,625 × T) / (T + 243,04)]
dove pws è la pressione di vapore saturo in kPa e T è la temperatura in °C. I coefficienti 17,625 e 243,04 sono stati determinati mediante procedura di ottimizzazione minimax per minimizzare lo scarto rispetto alle formulazioni di riferimento (Wexler, Sonntag, Goff-Gratch). Questa formulazione presenta un errore relativo medio inferiore allo 0,4% nel range da -40°C a +50°C rispetto ai valori tabulati ASHRAE.
2.1.2 Equazione di Antoine
Per applicazioni che richiedono maggiore precisione, specialmente per temperature superiori a 100°C, si utilizza l'equazione di Antoine:
log₁₀(pws) = A – B / (C + T)
dove A, B e C sono costanti specifiche per l'acqua (A = 8,07131; B = 1730,63; C = 233,426 per T in °C e pws in mmHg, nel range 1-100°C).
3. Definizioni Operative
3.1 Umidità Assoluta (AH)
L'umidità assoluta, denominata anche absolute humidity (AH) nella letteratura anglosassone, rappresenta la massa di vapore acqueo contenuta in un'unità di volume d'aria. Secondo la definizione ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) riportata nell'ASHRAE Handbook – Fundamentals, l'umidità assoluta esprime la densità del vapore acqueo nell'aria umida.
AH = mv / V [g/m³] oppure [kg/m³]
dove mv è la massa di vapore acqueo [g o kg] e V è il volume d'aria considerato [m³].
L'umidità assoluta può essere calcolata a partire dalla pressione parziale del vapore acqueo mediante l'equazione dei gas perfetti:
AH = (pv × Mv) / (R × T) = (pv × 18,015) / (8,314 × T)
dove pv è la pressione parziale del vapore [Pa], Mv è la massa molare dell'acqua [g/mol], R è la costante universale dei gas [J/(mol·K)] e T è la temperatura assoluta [K].
3.2 Umidità Relativa (RH)
L'umidità relativa, o relative humidity (RH), è definita come il rapporto tra la pressione parziale del vapore acqueo presente nell'aria (pv) e la pressione di vapore saturo (pws) alla stessa temperatura, espresso in percentuale:
RH = (pv / pws) × 100 [%]
L'umidità relativa può essere equivalentemente espressa come rapporto tra l'umidità assoluta attuale e l'umidità assoluta di saturazione alla medesima temperatura. È fondamentale comprendere che l'umidità relativa è una grandezza dipendente dalla temperatura: a parità di contenuto assoluto di vapore, variazioni di temperatura determinano variazioni di umidità relativa.
3.3 Rapporto di umidità (Humidity Ratio)
Nelle applicazioni HVAC e nella psicrometria professionale, si utilizza frequentemente il rapporto di umidità (W), definito come la massa di vapore acqueo per unità di massa di aria secca:
W = mv / ma [kg_v/kg_da] oppure [g/kg]
A differenza dell'umidità assoluta, il rapporto di umidità rimane costante durante i processi di riscaldamento o raffreddamento sensibile dell'aria, purché non si verifichi condensazione. Questa proprietà lo rende particolarmente utile nell'analisi dei processi termodinamici dell'aria umida e nelle applicazioni di climatizzazione. Il limite superiore raccomandato da ASHRAE Standard 55-2023 per il comfort termico è 0,012 kg/kg (equivalente a circa 12 g/kg).
4. Confronto tra Umidità Relativa e Assoluta
La tabella seguente riassume le principali differenze tra i due parametri igrometrici:
Caratteristica
Umidità Assoluta (AH)
Umidità Relativa (RH)
Definizione
Massa di vapore per unità di volume [g/m³]
Rapporto tra pressione di vapore attuale e di saturazione [%]
Dipendenza dalla T
Indipendente (a parità di contenuto di vapore)
Fortemente dipendente
Utilità diagnostica
Quantifica l'apporto di vapore da fonti umide (murature, occupanti)
Indica il rischio di condensazione e crescita di muffe
Range tipico indoor
7-12 g/m³ (comfort invernale)
30-60% (comfort secondo ISO 7730)
Riferimento normativo
UNI EN ISO 7726:2002 (strumenti di misura)
UNI EN ISO 7730:2006, ASHRAE Standard 55-2023
5. Relazione tra i Parametri Igrometrici
La comprensione della relazione tra umidità relativa e assoluta è fondamentale per l'interpretazione dei fenomeni igrometrici negli edifici. Consideriamo un esempio pratico: un ambiente a 20°C con umidità relativa del 60%.
La pressione di vapore saturo a 20°C, calcolata con l'equazione di Magnus-Tetens (Alduchov & Eskridge, 1996), è pari a circa 2,333 kPa. La pressione parziale del vapore sarà quindi:
pv = RH × pws = 0,60 × 2,333 = 1,400 kPa
L'umidità assoluta corrispondente è:
AH = (1400 × 18,015) / (8,314 × 293,15) ≈ 10,4 g/m³
Se ora lo stesso volume d'aria viene raffreddato a 10°C senza aggiunta o sottrazione di vapore, l'umidità assoluta rimane costante a 10,4 g/m³. Tuttavia, la pressione di vapore saturo a 10°C è solo 1,228 kPa (corrispondente a un'umidità assoluta di saturazione di circa 9,4 g/m³). Poiché il contenuto di vapore supera quello di saturazione, si verificherà condensazione fino al raggiungimento dell'equilibrio.
6. Applicazioni nel Risanamento Edilizio
6.1 Diagnosi dell'umidità di risalita capillare
Nel contesto della diagnosi delle patologie umide nelle murature, la distinzione tra umidità relativa e assoluta assume particolare rilevanza operativa. L'umidità di risalita capillare nelle murature determina un apporto costante di vapore acqueo all'ambiente circostante attraverso l'evaporazione superficiale. Questo fenomeno può essere quantificato misurando l'incremento dell'umidità assoluta in prossimità della superficie muraria rispetto all'ambiente.
Le misurazioni igrometriche superficiali, effettuate secondo i protocolli UNI EN ISO 7726:2002, consentono di mappare i gradienti di umidità e identificare le zone di maggiore apporto di vapore. L'utilizzo di termocamere a infrarossi, integrato con le misure igrometriche puntuali, permette di correlare le anomalie termiche superficiali con i processi evaporativi in atto.
6.2 Rischio di condensa e formazione di muffe
L'umidità relativa è il parametro chiave per la valutazione del rischio di condensazione superficiale e di crescita di muffe. Secondo le indicazioni della norma UNI EN ISO 13788:2013, la condensazione superficiale si verifica quando l'umidità relativa in prossimità della superficie raggiunge il 100%, corrispondente al raggiungimento della temperatura di rugiada.
Per quanto riguarda il rischio di sviluppo di muffe, la letteratura scientifica indica come soglia critica un'umidità relativa superficiale superiore all'80% per periodi prolungati. Lo standard ASHRAE 62.1-2022 raccomanda di mantenere l'umidità relativa ambientale al di sotto del 65% per i sistemi meccanici con capacità di deumidificazione. La norma UNI EN ISO 7730:2006 indica un range ottimale del 30-70% per il comfort termico indoor, con valore di riferimento del 50% per le tabelle PMV.
6.3 Monitoraggio post-intervento
Il monitoraggio dell'efficacia degli interventi di risanamento richiede il tracciamento nel tempo di entrambi i parametri igrometrici. L'umidità assoluta fornisce indicazioni sull'effettiva riduzione dell'apporto di vapore dalle strutture trattate, mentre l'umidità relativa consente di verificare il raggiungimento delle condizioni di comfort e sicurezza igienica.
I sistemi di datalogger multi-parametro, conformi ai requisiti metrologici della UNI EN ISO 7726:2002, permettono la registrazione continua di temperatura e umidità relativa, da cui è possibile calcolare l'andamento dell'umidità assoluta e la temperatura di rugiada.
7. Valori di Riferimento
La tabella seguente riporta i valori di pressione di vapore saturo e umidità assoluta di saturazione per diverse temperature, calcolati secondo la formulazione Magnus-Tetens con coefficienti ottimizzati (Alduchov & Eskridge, 1996):
T [°C]
pws [kPa]
AHsat [g/m³]
AH @ 50% RH [g/m³]
-10
0,260
2,14
1,07
0
0,611
4,85
2,43
5
0,872
6,80
3,40
10
1,228
9,40
4,70
15
1,705
12,83
6,42
20
2,333
17,27
8,64
25
3,167
23,05
11,53
30
4,243
30,38
15,19
35
5,622
39,63
19,82
Nota: I valori sono calcolati utilizzando l'equazione di Magnus-Tetens con i coefficienti ottimizzati (a = 17,625; b = 243,04°C) pubblicati da Alduchov e Eskridge (1996). L'errore massimo rispetto ai dati di riferimento ASHRAE è inferiore allo 0,4%. AHsat indica l'umidità assoluta di saturazione; l'ultima colonna riporta l'umidità assoluta corrispondente a un'umidità relativa del 50%.
8. Conclusioni
La distinzione tra umidità relativa e umidità assoluta è fondamentale per una corretta interpretazione dei fenomeni igrometrici negli edifici e per la progettazione di interventi di risanamento efficaci. L'umidità assoluta, esprimendo direttamente il contenuto di vapore acqueo nell'aria, permette di quantificare gli apporti di umidità dalle diverse sorgenti (murature umide, occupanti, processi produttivi). L'umidità relativa, dipendente dalla temperatura, è invece il parametro di riferimento per la valutazione del rischio di condensazione e per il controllo del comfort termico.
Nella pratica diagnostica e progettuale, l'utilizzo integrato di entrambi i parametri, unitamente alla temperatura di rugiada, consente una caratterizzazione completa delle condizioni igrometriche e supporta decisioni tecniche fondate su basi scientifiche rigorose.
Riferimenti Normativi e Bibliografia
NORMATIVE TECNICHE
UNI EN ISO 7726:2002 – Ergonomia degli ambienti termici – Strumenti per la misurazione delle grandezze fisiche. Recepisce EN ISO 7726:2001.
UNI EN ISO 7730:2006 – Ergonomia degli ambienti termici – Determinazione analitica e interpretazione del benessere termico mediante il calcolo degli indici PMV e PPD e dei criteri di benessere termico locale. Recepisce EN ISO 7730:2005.
UNI EN ISO 13788:2013 – Prestazione igrotermica dei componenti e degli elementi per edilizia – Temperatura superficiale interna per evitare l'umidità superficiale critica e la condensazione interstiziale.
ASHRAE Standard 55-2023 – Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, GA.
ASHRAE Standard 62.1-2022 – Ventilation and Acceptable Indoor Air Quality. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, GA.
ASHRAE Handbook – Fundamentals (2021) – Chapter 1: Psychrometrics. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, GA.
BIBLIOGRAFIA SCIENTIFICA
Alduchov, O.A., Eskridge, R.E. (1996). Improved Magnus Form Approximation of Saturation Vapor Pressure. Journal of Applied Meteorology, 35(4), 601-609. DOI: 10.1175/1520-0450(1996)035<0601:IMFAOS>2.0.CO;2
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Tartarini, F., Schiavon, S., Cheung, T., Hoyt, T. (2020). CBE Thermal Comfort Tool: online tool for thermal comfort calculations and visualizations. SoftwareX, 12, 100563. DOI: 10.1016/j.softx.2020.100563
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