Riassunto analitico
Coperture dotate di alta capacità di riflettere la radiazione solare, i “cool roof”, possono rappresentare un’efficace risposta al sovra riscaldamento estivo sia di edifici singoli sia di aree urbane. Questi infatti sono caratterizzati da alta emissività nell’infrarosso che consente alla copertura di emettere come radiazione termica la massima quantità di radiazione assorbita, ed alti valori di albedo, ovvero capacità di riflettere la radiazione solare incidente. La struttura tipica di un cool roof è un sistema dove il substrato è coperto da due strati: un base coat caratterizzato da alta riflettanza nel vicino Infrarosso (NiR) e un top coat trasparente, con eventuale presenza di pigmenti, che assorbe debolmente ed, eventualmente, riflette la radiazione NiR. Questa somiglianza con un sistema piastrella-ingobbio-smalto, l’elevata emissività termica dei corpi ceramici e le interessanti proprietà di riflettanza di una piastrella a base bianca che mantiene alti valori in tutto il NiR investigato (0.7-2.5 μm) e la buona risposta dei ceramici contro l’invecchiamento e gli agenti atmosferici, ha ispirato la creazione di una piastrella ad alta riflettanza solare con un ingobbio alto riflettente e nuovi smalti cool colors. Questo lavoro si articola in tre parti riguardanti differenti aspetti della ricerca cool roof: lo sviluppo di ceramici tradizionali e tegole smaltate, lo sviluppo di smalti ceramici per tegole canadesi e lo studio delle loro proprietà dopo l’ invecchiamento. La prima parte riguarda la formulazione di un ingobbio che migliori la riflettanza del substrato ceramico. Questo obiettivo è stato ottenuto studiando le variabili colore del supporto, tipo di materie prime, spessore dell’ingobbio e tipologia di smalto (bianco, trasparente e matt) applicato come top coat sul sistema ingobbio-substrato Successivamente, per valutare come le superfici colorate influenzano la riflettanza finale del prodotto, uno smalto colorato ad alta riflettanza è stato preparato utilizzando fritte con finitura differente e diversi pigmenti. Come substrati sono state usate sia piastrelle in grés bianco sia tegole. Le Tegole Canadesi sono un altro prodotto da copertura costituito da graniglia di basalti o ardesia applicata su uno strato bituminoso per migliorarne l’aspetto estetico del prodotto finale e preservarlo dall’ageing. La graniglia minerale è solitamente coperta da uno strato colorato applicato in forno rotativo. La seconda parte del lavoro riguarda la formulazione di uno smalto ceramico bianco per graniglia basaltica a partire da una formulazione commerciale, implementata con un nuovo pigmento. Due piani sperimentali DoE sono stati formulati per analizzare l’influenza dei due pigmenti (Talco e TiO2), altre materie prime e temperatura di cottura. Un buon prodotto cool roof deve mantenere le proprietà solari per diversi anni quindi l’ultima parte di questo lavoro riguarda lo studio di invecchiamento naturale e artificiale sulla riflettanza di tegole e coppi. I campioni, invecchiati naturalmente e artificialmente, sono stati puliti simulando l’effetto del vento e della pioggia. Di tutti i campioni le analisi mineralogiche e microstrutturali sono state integrate con misure di riflettanza solare (0.3-2.5 μm) ed emissività termica (4-40 μm) per valutare il comportamento dei campioni alla radiazione solare. L’importanza della creazione di prodotti ceramici ad alta riflettanza e la corretta comprensione del loro comportamento dopo l’invecchiamento è cruciale per promuovere questi nuovo prodotti per edilizia che, non solo possono mitigare l’effetto isola di calore urbano, ma possono essere inserite in modo innovativo nel quadro normativo edilizio nazionale ed europeo
|
Abstract
Roofing solutions with high capacity to reflect incident solar radiation, the so-called “cool roofs”, can provide an effective answer to summer overheating of either individual buildings or whole urban areas. They are characterized by high solar reflectance (or albedo), that is high capacity to reflect solar radiation incident on their surface, and high infrared emissivity, which allows them to release to the environment via thermal radiation a large amount of the absorbed radiation.
Nowadays, cool roof products are mainly represented by organic membranes and coatings, but ceramic tiles can offer an interesting alternative in view of their higher durability and low maintenance costs.
A common cool surface is made by a very simple system where a substrate is coated with a two layer system: the basecoat is characterized by a strong Near iR and the transparent topcoat, with the eventual presence of pigments, which weakly absorb and, eventually, strongly backscatter NiR radiations.
This close resemblance to a common system tile-engobe-glaze, combined with the high thermal emissivity of ceramic bodies, the interesting reflective properties of a white stoneware tile, which maintain high reflectance over the whole near infrared region relevant to solar radiation (0.7-2.5 μm) and the good attitude of ceramics tile against weathering agents and ageing processes inspired the creation of a solar-reflective clay-based tile with the formulation of a solar reflective engobe and a new cool colored glazes.
This work is structured in three step concerning different aspects of cool roof research: the development of traditional ceramics and clay roof tiles, the development of ceramic glaze for asphalt shingles and the study of ageing.
The first step was the formulation of an engobe enhancing the solar reflectance of the ceramic substrate. This goal was achieved through the proper formulation of the substrate, raw materials, thickness of the engobe and on the white or transparent glaze applied as a top coat on the substrate-engobe system.
Moreover a solar-reflective colored glaze made by frits with different aesthetical finishing (transparent, matt, opaque) and different pigments was designed in order to evaluate how nonwhite surfaces affect the solar reflectance of the final product. In this part of the study traditional stoneware tiles and clay roof tiles substrate were considered.
Another roofing product type is represented by asphalt shingles. In this case basalt or slate grit is applied on a bitumen layer in order to improve the aesthetical aspect of the final tile and preserve from ageing the bitumen base. Mineral grits are usually covered by a colored layer through a rotary kiln.
The second part of this work is concerning the formulation of a new white ceramic glaze for basalt grit. Starting from a commercial formulation, implemented with a new pigment, two experimental plans were studied in order to analyze the influence of the two pigments, other raw materials and the firing temperature.
Since a good cool roof product should keep its solar properties for several years, the third part of this work concerned the study of the influence of natural and artificial ageing on the solar reflectance performance of clay based roof tiles. Clay roof tiles samples, naturally and artificially aged, were then cleaned through wiping and rinsing in order to simulate the effect of wind and rain.
For all the samples produced mineralogical and microstructural analysis were combined with solar reflectance (0.3-2.5 μm) and thermal emissivity (4-40 μm) measurements in order to evaluate the behavior of the samples against solar radiations.
The importance of creating solar-reflective ceramic-based surfaces and well understanding their behavior after ageing processes is crucial in order to promote this new building product which, not only can mitigate the urban heat island effect, but can fit in a smart way the national and European building policies.
|