Climate design - basics

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    1. 1. Sezione 8 Modulo 1.1 Relatore: Progettare una facciata Climate Design. Progetto della facciata secondo le condizioni climatiche; SW Enrico De Angelis, Politecnico di Milano
    2. 2. Summary 0. Premesse: la progettazione “bioclimatica” 1. Il clima e la classificazione del clima secondo Köppen. 2. L’analisi del clima nel diagramma psicrometrico secondo Givoni. 3. L’utilizzo di Climate Consultant (freeware) e dei siti per il recupero dei dati climatici. 4. Le prestazioni “termiche” dell’involucro edilizio e le prestazioni energetiche dell’edificio: una possibile sequenza progettuale. 5. Costruzione di un foglio di calcolo per la scelta delle prestazioni termiche dell’involucro. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13 2
    3. 3. Dipartimento di Architecture, Built Environment and Construction Engineering Chi sono io Docente di: • Patologia Edilizia e diagnostica riconoscimento, diagnosi e prevenzione dei rischi di degrado (revisione e controllo del progetto). • Architettura Tecnica (misura e progettazione delle prestazioni dei sistemi edilizi) • Progettazione di sottosistemi e componenti edilizi (promozione dell’innovazione di prodotto) Coordinatore del Corso di Dottorato di Architecture, Built Environment and Construction Engineering INGEGNERIA dei SISTEMI EDILIZI: controllo delle PRESTAZIONI e prevenzione delle PATOLOGIE degli edifici enrico.deangelis@polimi.it CLIMATE DESIGN 10/10/13 3
    4. 4. 0. premesse enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13 4
    5. 5. Ambiente Latino ambiens [da amb(o)-ire] Inglese environment Francese environnement Tedesco Umwelt Spagnolo medio ambiente enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    6. 6. Ambiente naturale enrico.deangelis@polimi.it LAGO BALARUS – Minsk http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Swamp_lake_Balarus.jpg 10/10/13
    7. 7. Ambiente confinato enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13 7
    8. 8. complesso delle condizioni fisiche (temperatura, pressione atmosferica, umidità atmosferica, irradiazione ...) che caratterizzano, periodicamente, durante l’anno, una regione o una località. Clima Greco klima [inclinazione (della terra risp. al sole)] Inglese climate Francese climat Tedesco klima Spagnolo clima enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    9. 9. realizzare un ambiente di vita e soddisfare determinate esigenze dell’uomo mediante l’uso di sistemi compatibili con l’ambiente e reversibili, facendo ricorso alle risorse disponibili, utilizzando prodotti reinseribili nei cicli di vita naturali. Progettazione ambientale enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    10. 10. realizzare un ambiente di vita che soddisfa le principali esigenze dell’uomo facendo il minimo uso di risorse non rinnovabili, nel ciclo di vita. Sfruttare al meglio le potenzialità del clima e del luogo. Progettazione (bio)climatica enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    11. 11. Condizioni ambientali esterne (reali) PRESTAZIONI DI “DIFESA” o CONSERVAZIONE Modifica intelligente della configurazione dell’involucro IMPIANTO Condizioni ambientali interne (ideali, di comfort) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    12. 12. La seconda pelle enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13 12
    13. 13. Una breve digressione sulle classificazioni del clima. Köppen: valori medi mensili di Ta e piovosità Dalle slides di Dr. R. B. Schultz Il klima (inclinazione) non basta enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13 13
    14. 14. Un breve approfondimento sul clima: la classificazione di V. Köppen Individua cinque grandi tipologie di CLIMA: • A (humid tropical), • B (dry), • C (humid middle-latitude, mild winters), • D (humid middle-latitude, severe winters), and • E (polar). La definizione delle aree A, C, D, E si basa sulla temperatura, quella dell’area B sulle precipitazioni Poi ci sono delle sottocategorie, che definiscono delle specifiche condizioni climatiche, usando due lettere minuscole enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13 14
    15. 15. I sotto gruppi climatici di Köppen Piovosità stagionale f senza stagione secca (piove sempre). m stagioni secche brevi e cicli monsonici. s estate secca (savana). w inverno secco (tundra) Temperatura stagionale a estati calde, con temperature medie mensili T>22°C. b estati temperate con T<22°C . c estati brevi con meno di quattro mesi a T>10°C. d inverni freddi con temperature minime <-38°C. h clima caldo-secco con T media annua > 18°C. k clima freddo-secco con T media annua < 18°C. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13 15
    16. 16. Il clima umido (A) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13 16
    17. 17. Il clima arido e semiarido (B) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13 17
    18. 18. L’europa enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    19. 19. Il mondo enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    20. 20. Dal Macroclima al microclima enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    21. 21. Condizioni ambientali esterne (microclima reale) Il CLIMATIC DESIGN sfrutta al meglio le condizioni ambientali esterne Modifica intelligente della configurazione dell’involucro PRESTAZIONI DI “DIFESA” o CONSERVAZIONE Al fine di garantire le Condizioni ambientali interne (ideali, di comfort) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    22. 22. Le esigenze di “comfort” Proteggere dagli eventi meteorici Proteggere dal freddo Proteggere dal caldo Neutralità sensoria Garantire un’adeguata QUALITA’ DELL’ARIA Contenere il disturbo da parteD di rumori e di suoni Garantire condizioni di illuminazione adeguate alle attività che devo svolgere nell’ambiente confinato … … e livelli di illuminazione naturale coerenti con l’orario Garantire la visibilità dell’esterno enrico.deangelis@polimi.it STIMOLO Sensoriale 10/10/13 22
    23. 23. Le esigenze di “comfort termico” Proteggere dal freddo: • Garantire una temperatura dell’aria adeguata • Limitare gli scambi radiativi verso sorgenti fredde • Mantenere l’umidità sufficientemente alta (limitare l’evaporazione e la secchezza) Proteggere dal caldo: • Proteggere dall’irraggiamento diretto (sole), diffuso (cielo o semi-trasparenze) o riflesso • Limitare gli apporti radiativi da sorgenti calde • Garantire una temperatura dell’aria e … • Garantire una ventilazione che permettono il naturale raffreddamento per evaporazione del corpo umano enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13 23
    24. 24. TEMPERATURA dell’ARIA (Ta) VELOCITA’ del VENTO (vv) UMIDITA’ RELAT/ASSOLUTA (UR; mH2O) IRRADIANZA (Ib, Id) ALBEDO (r) PIOVOSITA’ La climatologia Condizioni ambientali esterne (reali) TEMPERATURA dell’ARIA (Ta) VELOCITA’ dell’aria UMIDITA’ RELAT/ASSOLUTA (UR; mH2O) TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Condizioni ambientali interne (ideali, di comfort) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    25. 25. Condizioni ambientali In realtà la neutralità non esiste, anzi, in assenza di stimoli stiamo MALISSIMO (la privazione sensoriale è una forma di tortura) Condizioni di comfort: • Che mi “piacciono”, che mi fanno piacere • Che non mi dispiacciono, che non sono causa di fastidio (NEUTRE) • Le migliori per lavorare, per produrre, quelle in cui ci distraiamo meno, ci stanchiamo meno, siamo più attenti e produttivi … Condizioni igieniche o di salute: • Che non sono causa di malattia, perdita temporanea o irreversibile di “capacità” o abilità (comunque non più velocemente di quanto ne perderei invecchiando naturalmente): spesso è l’esposizione prolungata a condizioni non igieniche che genera “malattia”, patologia, sindromi … enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    26. 26. Il comfort termico ASHRAE: american society of Heating Refrigerating and Air-conditioning Engineers L’associazione statunitense degli ingegneri che si occupano di frigoriferi, caldaie e aria condizionata, definisce: THERMAL COMFORT: That condition of mind which expresses satisfaction with the thermal environment and is assessed by subjective evaluation. La stessa è riportata nella norma ISO 7730 dedicata agli ambienti confinati “moderati” (basso stress termico) ATTENZIONE: si vive più del 90% del nostro tempo in ambienti confinati!! (in certi casi anche di più, considerando auto e altri mezzi di trasporto …) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    27. 27. Il bilancio energetico Il corpo umano è una macchina termica impostata per lavorare tra 36÷37 °C (dipende dalle parti). Consumiamo sempre un po’ di energia (metabolismo basale) più quella che ci serve per muoverci, parlare, fare qualsiasi cosa: in termini fisici “produrre lavoro”. L’energia consumata e non trasformata in lavoro viene dispersa nell’ambiente sotto forma di calore. Il nostro corpo è programmato per segnalare eventuali anomalie in tal senso, ovvero accorgersi se può disperderere la quantità di energia consumata (non di meno e non di più), perché se no ha dei problemi: • • Cresce la sua temperatura se non riesce a smaltirlo o addirittura ne riceve dall’ambiente Si abbassa se la quantità di calore prodotto è inferiore a quella che disperderebbe enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    28. 28. Bilancio energetico e temperatura corporea 37 oC Hot enrico.deangelis@polimi.it 34 oC Se non mi trovo nelle condizioni termiche ideali (che mi permettono di smaltire il calore normalmente prodotto): • SURRISCALDAMENTO la tempe-ratura della mia pelle si avvicina a quella interna (per aumentare l’emissione di calore) • RAFFREDDAMENTO – la tempe-ratura della pelle scende Cold Sulla nostra pelle ci sono sensori di caldo e di freddo che segnalano quando la sua temperatura si avvi-cina ai 37°C o scende al di sotto di 34°C. 10/10/13
    29. 29. Termoregolazione Il nostro corpo segnala le variazioni di temperatura della pelle ma la loro accettabilità varia in funzione del livello metabolico: se sto correndo non ho problemi ad accettare una temperatura della pelle più “bassa” e un tasso di produzione del sudore elevato! Sulla base delle “segnalazioni”, modifica il proprio comportamento per evitare l’eccessivo surriscaldamento o raffreddamento: • • I sensori inviano segnali all’ipotalamo (percepisco la sensazione di caldo o di freddo) Il sistema nervoso attiva meccanismi di termoregolazione: • vasodilatazione e sudorazione per il surriscaldamento • vasocostrizione e tremori per il raffreddamento enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    30. 30. Skin Sensors 1) Bulbs of Krause 2) Nerve Endings, Pain and Touch Sensitive 4) Organs of Ruffini 3) Pacini's Corpuscles, Detect Pressure / Vibration (200-300 Hz) 5) Merkel's Disks, Touch Sensitive 6) Meissner's Corpuscles, Touch & Vibration Sensitive (50 Hz) http://www.healthyheating.com/ e atlante anatomico GIUNTI enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    31. 31. Skin Thermal Sensors Bulbs of Krause(1): sensitive to heat loss. Around 150,000, they lie within 0.5mm of the surface of the skin. Whilst spread throughout the body near the openings to sweat glands, there is some increased concentration around the fingertips, nose and bends of the elbow. Organs of Ruffini (4): sensitive to heat gain and around 16,000, they lie deeper within the skin, mostly around the lips, nose, chin, chest, forehead and fingers. Due to the increased insulation provided by skin depth, these are much slower to react to changing environmental temperature http://www.healthyheating.com/ e atlante anatomico GIUNTI enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    32. 32. Malessere e benessere Attivati i meccanismi di termoregolazione come risposta fisiologica alla sensazione, il mio cervello (cultura, abitudini, …) interpreta la sensazione inviata dai termorecettori come CARENZA DI BENESSERE. Oltre a ciò, il corpo fa fatica a TERMOREGOLARSI, quindi, si aggiunge la sensazione di FATICA e i suoi effetti (svogliato, distratto …) Peggiorando le cose mi ammalo o muoio quando non ho più energie per termoregolare. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    33. 33. Climi caldi Meccanismi di autocontrollo • Vasodilatazione • Sudorazione • Perspirazione • Respirazione Effetti • Aumenta temperatura epiteliale: se Top > Tepiteliale (diminuzione calore entrante nell’organismo) se Top < Tepiteliale (aumento calore uscente dall’organismo) • Transfert di massa per emissione di sudore; evaporazione: asportazione calore latente • Evaporazione acqua dai pori della pelle anche in assenza di sudorazione • Emissione aria più umida di quella assunta Passando dal clima freddo a quello caldo il tempo di acclimatazione è molto lungo. L’apporto di sangue verso i tessuti epiteliali può aumentare fino al 20%. Notevole incremento della sudorazione. I processi interni di adattamento di questi fenomeni sono molto lenti. Rischio di ipertermia: T > 40°C = colpo di caldo; T > 41°C = morte imminente; T > 42°C = scarsa possibilità di sopravvivenza enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    34. 34. Climi Freddi Meccanismi di autocontrollo Effetti • Vasocostrizione • Top < Tepiteliale: diminuzione della temperatura epiteliale (diminuisce calore ceduto) • Tremito • Attiva frizioni interne: input calorico dovuto al metabolismo muscolare • Raddrizzamento (pelle di gallina) • Riflesso atavico: aumento spessore isolante • Congelamento arti • Riduzione superficie disperdente (aumenta il rapporto tra volume e superficie disperdente): riduzione coefficiente volumico S/V Passando dal calore dovuta al calore latente è molto ridotta e dipende esclusivamente da La cessione diclima freddo a quello caldo il tempo di acclimatazione è molto lungo. L’apporto di sangue verso tessuti epiteliali può aumentare quello 20%. Notevole incremento della sudorazione. perspirazioneie respirazione. Dal clima caldo a fino al freddo, il tempo di acclimatazione è breve. ViI processi interni di adattamento calorico (alimentazione) dovuto al diverso metabolismo. è infine un incremento del tassodi questi fenomeni sono molto lenti. ipertermia: T > 40°C = colpo di caldo; T > 41°C = morte imminente; T > 42°C = scarsa Rischio di ipotermia Tcorporea<35°C = congelamento; Tcorporea 30-25°C = collasso, morte possibilità di sopravvivenza enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    35. 35. Termoscambio e igroscambio enrico.deangelis@polimi.it Tra 20 < T < 35°C il calore totale dissipato si mantiene costante Freddo: prevale termoscambio: f (T) 10/10/13 Caldo: prevale igroscambio: f(UR, varia)
    36. 36. Igroscambio In inverno • • l’UR ha scarsa influenza sul benessere termico incide invece sulle condizioni igienico-sanitarie (basse UR: essiccazione mucose apparato respiratorio; alte UR: malattie stagionali – muffe, batteri, acari, ecc.) In estate • • • l’UR costituisce un parametro molto importante in quanto incide sul tasso di igroscambio possibile (calore latente di evaporazione) (effetto sauna) Il tasso di evaporazione è dipendente dalla UR e non dalla temperatura dell’aria Alte UR riducono o impediscono il processo di evaporazione, ma non la sudorazione (effetto bagno turco) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    37. 37. Velocità dell’aria In inverno • L’aria in movimento è negativa in quanto aumenta le cessioni termiche convettive • Occorre tenere basse velocità dell’aria • È però percepita negativamente l’aria stagnante In estate • L’aria in movimento facilita l’evaporazione e quindi l’igroscambio e l’eventuale cessione convettiva (quando Top < Tepiteliale) • Al di fuori del range di UR 30-85% la velocità dell’aria non ha sostanziali effetti • Il massimo contributo all’evaporazione dovuto al movimento d’aria si registra con UR tra 40 e 50% • Il caso dell’aria stagnante su soggetti immobili: si forma una zona di aria satura che impedisce l’evaporazione del sudore enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    38. 38. La sensazione termica di contatto La sensazione termica di contatto non dipende solo dalla temperatura dei corpi, ma anche dall’ammittanza, caratteristica del materiale costituente la superficie: (λcρ)1/2 (conduttività materiale, calore specifico, massa volumica) quindi dipende dalla velocità con cui dopo il primo contatto si raggiunge una situazione termica stazionaria (ad esempio dopo l’iniziale contatto tra mano e superficie) < 5 ottima sensazione di caldo 5-10 sensazione di caldo 10-20 modesta sensazione di freddo > 20 sensazione di freddo Anche se isoliamo bene un pavimento, sovrastante spazi aperti, rivestito in marmo, abbiamo comunque sensazione di freddo al contatto (o cambio materiale o adotto pavimenti radianti) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    39. 39. Termofisiologia umana fattori che influenzano la percezione della qualità ambientale • Acclimatazione • Grassezza generale (varia il coefficiente volumico S/V) • Grasso sottocutaneo (isolamento) • Condizioni di salute • Attività fisiche (metabolismo muscolare) • Alimentazione solida o liquida • Sesso (genere diverso metabolismo diverso) • Abbigliamento (clo) Note • Con aria ferma l’incremento di 1 clo può compensare un abbassamento di temperatura di 7°C • È normalmente più gradita una situazione in cui Tmr sia superiore alla Ta enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    40. 40. I primi studi sul comfort • I primi studi sul comfort termico (fine ‘800) tentano di definire una TEMPERATURA EQUIVALENTE, la temperatura dell’aria di un un ambiente termicamente isotropo e tranquilllo in cui “provo la stesa sensazione di freddo (o caldo o di neutralità sensoria). • Le prime prove si fanno nelle varie condizioni metaboliche e di vestiario, per ottenere un unico diagramma simile a quelli che seguono, ora non più utilizzati. • Il parametro rende ragione di come noi percepiamo un ambiente poco umido rispetto ad uno molto umido, uno ventilato e uno non ventilato, uno in cui sono sottoposto ad un irraggiamento positivo o negativo (rispetto all’ambiente in equilibrio con l’aria), utilizzando un parametro di immediata comprensione. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    41. 41. Le temperature “equivalenti” o “effettive” Chiarito che le caratteristiche di un ambiente influenzanti la sensazione di comfort sono, oltre alla temperatura dell’aria: • Temperatura media radiante • Velocità dell’aria • Concentrazione di umidità (misurabile in tanti modi, vedi in particolare la temperatura a bulbo umido) L’idea alla base è quella di chiedere ad una popolazione statistica significativa di persone in condizioni standard (vestiti in maniera standard e a riposo): • • Confronta le caratteristiche di un ambiente con quello standard (v a=0 e UR=100%) A che temperatura deve essere l’ambiente standard perché tu possa “sentire” la stessa temperatura? enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    42. 42. Le temperature “equivalenti” o “effettive” Si costruiscono, quindi, delle relazioni (tabellate, diagrammate ecc.): • per tenere in conto gli scambi convettivi si corregge la temperatura al variare della velocità dell’aria (NB: al di sopra di 34-36°C aumentando la velocità aumento la sensazione di caldo, al di sotto quella di freddo) • per tenere in conto gli scambi evaporativi posso usare una Tbu (temperatura a bulbo umido). Quindi si considerano gli scambi radiativi (temperatura media radiante o operante).L’indice più complesso fino a non molto tempo or sono era quello della temperatura effettiva corretta che veniva correlata direttamente alla WBGT (wet bulbe globe thermometer): enrico.deangelis@polimi.it • Un globotermometro “umido” per varia, Tmr e UR 10/10/13
    43. 43. Le temperature “equivalenti” o “effettive” enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    44. 44. La temperatura equivalente standardizzata (SET) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    45. 45. Gli studi avanzati sul comfort I produttori di sistemi di climatizzazione fanno ricerche sul comfort per tutti gli anni 20-40 e anche nel dopo guerra. E non solo loro. Interessa, per questioni di igiene e di produttività, conoscere le condizioni ottimali di lavoro e prevedere l’affaticamento indotto da condizioni di stress. Si fanno tre tipi di studio: • • • In ambiente climatizzato In ambiente “naturale” In ambiente di lavoro “stressante” (termicamente) Si mettono a punto tre tipologie di parametro • • PMV (PPD) Tdi neutralità per adattamento al clima esterno • HSI (heat stress index) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    46. 46. Gli studi avanzati sul comfort In tutti e tre i tipi di studio (ambiente climatizzato, ambiente “naturale” e ambiente termicamente “stressante”) si parte dalle seguenti considerazioni: • • • Il corpo umano è – come dicevamo – una macchina termica che si pone in equilibrio con l’ambiente che lo circonda in relazione al suo metabolismo ed al vestiario indossato. La sensazione di caldo e di freddo dipende dalla temperatura cutanea e dalle condizioni di sudorazione che il sistema di termoregolazione attiva È possibile determinare la temperatura cutanea e il tasso di sudorazione ideali e questi dipendono dal livello metabolico (calore prodotto/da smaltire) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    47. 47. Gli studi avanzati sul comfort Altri studi continuano a lavorare su temperature equivalenti, soprattutto quelli che si occupano di ambiente esterno o ambienti non climatizzati (o poco climatizzati, normalmente non condizionati): • PET Physiological Equivalent Temperature • Tn Neutral Temperature • Temperatura … enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    48. 48. Temperatura cutanea ideale La sensazione di MALESSERE si ha, in condizioni invernali, quando la pelle si porta ad una temperatura più bassa del valore “naturale”, determinabile in funzione del tasso di produzione metabolica. C. Mean Skin Temp. o 34 33 32 31 30 29 0 enrico.deangelis@polimi.it 1 2 3 4 Metabolic Rate 10/10/13
    49. 49. Tasso di sudorazione ideale La sensazione di MALESSERE si ha, in condizioni estive, quando la pelle deve cedere calore per evaporazione ad un tasso superiore a quello “naturale”, anche questo funzione della produzione metabolica. W/m2 100 Sweat prod. 80 60 40 20 0 enrico.deangelis@polimi.it 1 2 3 4 Metabolic Rate 10/10/13
    50. 50. http://webfea-lb.fea.aub.edu.lb/ Il bilancio energetico della macchina termica “corpo umano”
    51. 51. Energia da disperdere 0.8 Met 8 Met 1 Met Dipende da quello che sto facendo, dal mio stato di salute e dalle mie dimensioni corporee. Esistono, tuttavia, valori medi forniti, per semplicità di calcolo, per unità di superficie e non per unità di peso (massa corporea, ma si dovrebbe parlare di massa muscolare). 4 Met enrico.deangelis@polimi.it Molte delle immagini sono tratte da una presentazione realizzata da INNOVA 10/10/13
    52. 52. Energia da disperdere Il lavoro di cantiere (muratore, carpentiere)? L’agricoltore che zappa? UNI EN ISO 7730 6,5 met Correre veloce (15 km/h)? 4,7 met 9,5 met enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    53. 53. Quanta energia consumiamo? Se partiamo dai dati espressi in “met”: E = Scorpo * M (met) * 58 (W/met) Occorre conoscere la superficie del corpo. Giusto per averne un’idea, si sappia che la formula utilizzata (Du Bois) correla la superficie corporea (totale) con il peso e l’altezza tramite la formula: Scorpo = 0,202*m0,425 * h0,725 La superficie corporea di un adulto è 1,5÷2,5 m2 Il mio metabolismo basale (40 W/mq * 2,3 mq) è di poco più di 90 W, quando guardo la televisione circa 130 e quando chiacchiero, in piedi così, quasi 200. Correndo a oltre 9,0 km/h brucio quasi 1 kW, per un ora fa un kWh, più di un etto di peso smaltito (se non mangio più del solito): circa 7 kWh/kg enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    54. 54. Energia che disperdo – nudo NUDI, nel vuoto, solo per irraggiamento, con la pelle in condizioni di temperatura “normali”: • Qrad = ε σT4 (W/m2) Dove σ = 5.67×10-8 W/K4/m2 ed il coefficiente ε = 0,95 (quasi 1): • • T=32+273 =305 K Qrad=0,95x(5.67 ×10-8) ×(8,65 ×10+9) = 490 (W/m2) Il solo scambio per irraggiamento verso il vuoto (che FREDDO!) richiederebbe una produzione metabolica pari a 8,4 met oppure la temperatura della mia pelle si abbasserebbe immediatamente! NUDI in una stanza con Tmr =27°C le cose sono diverse: • Qrad = σT4 – σTmr4 = 31 (W/m2) = 0,54 met enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    55. 55. Energia che disperdo – nudo NUDI, solo per convezione: • Qconv = hc(θ-θa) (W/m2) Dove θ è la temperatura media della pelle. Il coefficiente convettivo dipende se sto seduto, in piedi, eccetera, e dalla eventuale velocità del vento. In ambienti interni: • hc=3,5+4,9*va (W/m2°C) (Se sto sdraiato per terra sarà 3,5, se mi muovo un po’, almeno 4,0, se cammino lentamente è 8,5. Più veloce di 1 m/s, cambia la formula del coefficiente liminare) NUDI in una stanza con θa = θmr=27°C e θpelle=32°C • Qrad = σT4 – σTmr4 = 31 (W/m2) = 0,54 met • Qconv = 4,0*5 = 20 (W/m2) = 0,35 met (Si deve solo tenere in conto che, per la non convessità della superficie del corpo umano, devo sommare 10/10/13 cui 0,7*Q rad, per enrico.deangelis@polimi.it Qtot= 0,70 met =40 W/mq
    56. 56. La pelle traspira e suda L’intero • • • epitelio (compresa bocca trachea e polmoni) lascia evaporare acqua: Respirazione Traspirazione Sudorazione Il calore latente di evaporazione della soluzione salina (liquidi cellulari) è stimata di circa 730 Wh/kg e il corpo umano arriva a produrre fino a 1,5-2 kg/h di sudore (non per periodi prolungati, però). Ovviamente, per potere sfruttare il raffreddamento per evaporazione, la temperatura superficiale del corpo umano deve essere inferiore alla temperatura di rugiada Finchè la temperatura dell’aria è inferiore a quella della pelle tutto va bene. Quando è superiore potrebbe anche accadere che sulla pelle condensi … enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    57. 57. La pelle o traspira o suda Respirazione a parte, se la pelle è bagnata, non si ha traspirazione, quindi o traspira o suda. La traspirazione, in particolare, dipende dalla permeabilità al vapore della pelle e dalla differenza tra la pres-sione parziale di vapore nell’aria e quella di vapore saturo alla temperatura della cute. Un soggetto adulti a riposo, in condizioni di comfort, cede per traspirazione, in 24h 0,5-0,8 kg d’acqua, corrispondenti ad un flusso di 12 W/m2. Quando devo disperdere calore in maniera considerevole o quando non ho altri meccanismi (la temperatura dell’aria e radiante sono superiori a quella della pelle, non rimane che sudare. Ovviamente dalla pelle bagnata non esce vapore … ma è l’acqua che evapora. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    58. 58. Se sono vestito? Introduco una resistenza del vestiario Rv, valore medio che suppongo uniformemente distribuito su tutto il corpo a temperatura media θ. Qrad = σTvest4 – σTmr4 Qconv = hc(θvest-θa) Qcond = Rv (θ-θvest) Qrad + Qconv = Qcond E posso risolvere per successive approssimazioni l’equazione del bilancio: σTvest4 + (hc + Rv)θvest = hc θa + σTmr4 + Rvθ enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    59. 59. Comfort termico – ll vestiario L’unità di isolamento termico è tipicamente occidentale, quasi britannica inizio secolo: giacca e pantaloni di lana leggeri ma con gilet, camicia a maniche lunghe e biancheria di cotone, scarpe, per i maschietti, simile da donna con calze di nylon e sottoveste …:= 1,0 clo 0.5 Clo 1.2 Clo 0,15 Clo 1.0 Clo enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    60. 60. Resistenza termica dei vestiti enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    61. 61. Vestiti e attività enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    62. 62. Il bilancio termico Cres + Eres enrico.deangelis@polimi.it Posso calcolare la temperatura della pelle e il tasso di sudorazione (potenza scambiata per) in funzione di quello che sto facendo (metabolismo M). Devo impostare un complesso bilancio di tutti i fattori che intervengono e anche tenere conto del fatto che i vestiti modificano sia la temperatura della pelle che l’area della superficie disperdente, oltre che il lavoro (W), ovvero: • Disperdimenti per irraggiamento (R) e convezione (C) • Disperdimenti per evaporazione (E) • Per conduzione (K) e respirazione (RES). 10/10/13
    63. 63. Il bilancio termico Cres + Eres enrico.deangelis@polimi.it Si noti che: • Irraggiamento e convezione (R e C) contribuiscono per circa il 70% se siamo poco vestiti, ~60% se molto vestiti • Evaporazione (E) ~25% per attività moderate (<2 met) • Conduzione (K) e respirazione (RES) sono trascurabili, in un primo bilancio. 10/10/13
    64. 64. Il “voto” o punteggio L’ambiente termico viene valutato da molti ricercatori con dei punteggi simili al seguente: • • • • • • • Ho molto caldo (+3) Ho caldo (+2) Ho moderatamente caldo (+1) In realtà sto proprio bene (0) Ho moderatamente freddo (-1) Ho freddo (-2) Ho proprio tanto freddo (-3) enrico.deangelis@polimi.it - +3 Hot - +2 Warm - +1 Slightly warm - +0 Neutral - - 1 Slightly cool - -2 Cool - -3 Cold 10/10/13
    65. 65. PMV predicted mean vote P. Ole Fanger, 1972 Dopo moltissime prove, nelle più svariate condizioni (non sempre moderate), ci si rende conto che: • Non esiste una condizione ideale ASSOLUTA (c’è sempre qualcuno che non è soddisfatto, almeno il 5% della popolazione è insoddisfatta) • La condizione migliore, quella che MINIMIZZA il numero di insoddisfatti, è – come dicevamo – quella per cui la temperatura cutanea e il tasso di evaporazione sono ideali • Esiste una correlazione statistica evidente tra il voto medio (negativo) espresso dagli intervistati e la differenza tra la temperatura cutanea effettiva e quella ideale • Lo stesso tra voto medio (positivo) e differenza tra tasso di evaporazione necessario e ideale enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    66. 66. Dalle equazioni di bilancio … In condizioni di non transitorio termico: (M-W)=R+C+E+K+RES So calcolare i termini di questa equazione in funzione delle condizioni amb.: • Velocità e temperatura dell’aria (Ta va) • Temperatura media radiante (Tmr) • Umidità relativa (UR) e in funzione del soggetto: • • • Metabolismo (M) Lavoro prodotto (W) Vestiario (Rclo) Su questa base calcolo Tskin e tasso di sudorazione Esw enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    67. 67. … alla valutazione soggetiva Calcolato Tskin e tasso di sudorazione Lsw, funzione di (M, va, Ta, Tmr, UR, Rclo) erifico che le seguenti due quantità: Tskin,ideale(M) – Tskin(M,va,Ta,Tmr,UR,Rclo) Lsw,ideale(M) – Lsw(M,va,Ta,Tmr,UR,Rclo) Siano effettivamente correlabili alla sensazione di comfort, ovvero alle valutazioni soggettive fornite da un campione statisticamente significativo di persone “normali”. P.O. Fanger ha la grande intuizione di correlare le quantità di cui sopra e fornisce un primo modello della risposta soggettiva delle persone al comfort termico. La chiama PMV: predicted mean vote enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    68. 68. Correlazione PMVdeltat/deltaL Nota bene, in questi grafici: PMV=Y P. Ole Fanger, 1972 enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    69. 69. PMV predicted mean vote Quindi, proprio sulla base di tale correlazione, posso stimare quale sarebbe il voto medio previsto per un determinato ambiente termico. Sulla base di un’altra correlazione, posso stimare anche il numero di insoddisfatti (PPD): P. Ole Fanger, 1972 enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    70. 70. Temperatura ottimale (PPD=5%) 1,7 CLO 2,5 MET RH=50% tco=6oC enrico.deangelis@polimi.it 0,8 CLO 2,2 MET RH=50% tco=18oC. 0,5 CLO 1,2 MET RH=50% tco=24,5oC. 10/10/13
    71. 71. UNI EN ISO 7730 enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    72. 72. Aree fanger UNI EN ISO 7730 enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    73. 73. Il modello ADATTIVO Per gli spazi non climatizzati – “adattabili”
    74. 74. Sarebbe abbastanza naturale … When the air condition system fails you can adapt by adjusting your CLO value enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    75. 75. Mi adatto d’inverno … Winter in Saidu Sharif, Pakistan (photo M Humpheys) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    76. 76. … e d’estate Summer in Saidu Sharif, Pakistan (photo M Humpheys) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    77. 77. Uso di ventilatori: accetto Taria superiori Fans 100% % running 80% 60% UK Europe Pakistan 40% 20% 0% 0 10 20 30 40 Mean outdoor temperature Nicol, J.F. (2001) IBPSA Conf. Rio enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    78. 78. Windows … oppure apro le finestre per fare “corrente” 100% % open 80% 60% UK Europe Pakistan 40% 20% 0% 0 10 20 30 40 Mean outdoor temperature Nicol, J.F. (2001) IBPSA Conf. Rio enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    79. 79. … oppure accendo il riscaldamento (ma non troppo e nonHeating sempre) 100% % on 80% 60% UK Europe Pakistan 40% 20% 0% 0 10 20 30 40 mean outdoor temperature Nicol, J.F. (2001) IBPSA Conf. Rio enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    80. 80. Mi adatto al clima (esterno) L’approccio di Fanger, acquisito dalla ISO 7730, fornisce una valutazione della sensazione di comfort indipendente dalla stagione. Certo, se mi cambio d’abito, cambio anche preferenze in termini di temperatura. In ambienti condizionati, per es.: Brager, de Dear 2002, En.&Bld.s enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    81. 81. Mi adatto al clima (esterno) Ma se vado in ambienti non condizionati, che succede? (il grafico sotto è relativo ad ambienti a ventilazione naturale) Brager, de Dear 2002, En.&Bld.s enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    82. 82. In Iran enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    83. 83. Proportion of subjects comfortable Level of discomfort among Pakistan office workers 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Little discomfort 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 o Mean indoor temperature C Nicol et al. 1999 En. and Build. 30(3) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13 38
    84. 84. Adattamento termico Il principio dell’adattamento termico dice che: • “If a change occurs in the thermal environment which tends to produce discomfort, people will respond in ways that tend to restore their comfort” Per esempio: • Vario la produzione di calore metabolica e la cessione attraverso i meccanismi di termoregolazione • Cambio abiti • Intervengo, localmente, sul clima interno, per es. aprendo la finestra o accendendo un ventilatore • Scelgo una stanza più “adatta” Se posso intervenire sto meglio e magari non faccio nulla enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    85. 85. Come si spiegano le differenze? Le differenze tra Tn e TPMV=0 possono essere di qualche grado ma non vuol dire che P.O. Fanger o M.Humphreys sono in disaccordo. Basta modificare di poco le condizioni, per cambiare significativamente la percentuale di insoddisfatti. Basta spostarsi nella zona più calda (o più fredda) della stanza, produrre più o meno energia, modificare la stanza o ridurre il proprio vestiario. Il modello ADATTIVO tiene in conto, tramite una modalità di analisi puramente statistica, di quanto l’utente di ambienti non condizionati (l’altro non lo fa e non lo vuole fare) riesca a sfruttare condizioni ambientali speciali o modificare anche solo un poco loro o il proprio comportamento, in maniera tale che, però, non è pensabile si possa “modellare”. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    86. 86. Come si spiegano le differenze? • • Bere acqua fresca (5°C) in abbondanza, può ridurre fino al 10% del carico termico per esempio. Muoversi più lentamente quando fa molto caldo, riduce le “punte” di produzione di calore e la velocità dell’aria (quindi lo scambio per convezione) N.Baker (1996), Energy&Building enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    87. 87. Adattamento termico Se la temperatura, senza fare nulla, è 30.5 °C, basta poco per abbassarla di un paio di gradi … Piccole modifiche del rapporto della stanza con l’ambiente est Modifiche e localizz. Basta una finestra aperta N.Baker (1996), Energy&Building RISULTATO enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    88. 88. Adattamento termico N.Baker (1996), Energy&Building enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    89. 89. Adattamento stagionale Diversi studi hanno mostrato che le proprie preferenze cambiano da un mese ad un altro. Non è che il modello di Fanger sia sbagliato, tuttaltro. Semplicemente ci ADATTIAMO al clima. Si parla di temperatura NEUTRALE Tn=T0+ K*Testerna,media Molti studi concordano su una formula simile alla seguente, con piccole variazioni. Quella che useremo è Tn=17,6+ 0,31*Testerna,media mensile Va bene per valutare il comfort in ambienti non climatizzati dove è possibile – si è portati a farlo – “aggiustare” il clima. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    90. 90. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    91. 91. Fattori locali del comfort termico Non solo le condizioni medie contano (della pelle)
    92. 92. Correnti d’aria enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    93. 93. Dissatisfied Correnti d’aria Mean Air Velocity enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    94. 94. Correnti d’aria enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    95. 95. Asimmetria radiante enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    96. 96. Asimmetria verticale Vertical Air Temperature Difference is the difference between Air Temperature at ankle and neck level (hot ceiling only). enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    97. 97. Temperatura del pavimento Acceptable floor temperatures ranging from 19 to 29 oC. enrico.deangelis@polimi.it The graph is made on the assumption that people wear “normal indoor footwear”. 10/10/13
    98. 98. NOTA A MARGINE Le trasformazioni dell’ARIA UMIDA Giusto un pochino di ripasso, non da progettisti di impianti
    99. 99. L’aria (umida) L’aria è una miscela di gas. Lo stato di questa miscela è caratterizzato da una temperatura (T), da una pressione (p) considerata la somma delle pressioni parziali di ciascun gas e da una concentrazione (n/V), parametri tra loro corre-lati mediante la legge dei gas perfetti: p = n/V R T L’umidità, il vapore acqueo, non è il suo componente principale ma quello soggetto alla sua maggiore variabilità. La cosa ci interessa, in CAT, per l’influen-za di questa variabilità sul comfort termico e sul costo energetico di climatizzazione che esso determina. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    100. 100. L’aria umida La temperatura dell’aria, quella misurata con un semplice termometro, per distinguerla da quella che misuriamo con il metodo del bubo umido, è chiamata: TEMP. A BULBO SECCO Tbs Oltre che da T e p, lo stato dell’aria deve essere caratterizzato dal suo contenuto di vapore: UMIDITA’ SPECIFICA x=mH20(θ)/maria secca UMIDITA’ RELATIVA: pv/ps (simboli: UR opp. RH), normalmente in % enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    101. 101. Il diagramma psicrometrico enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    102. 102. Trasformazioni dell’aria TEMPERATURA DI RUGIADA enrico.deangelis@polimi.it Raffreddamento e riscaldamento semplici 10/10/13
    103. 103. Trugiada diverse per diverse UR enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    104. 104. Trasformazioni dell’aria TEMPERATURA A BULBO UMIDO enrico.deangelis@polimi.it Umidificazione adiabatica 10/10/13
    105. 105. Calcolo UR da Tbs e Tbu enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    106. 106. Umidificazione isoterma enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    107. 107. Miscelazione enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    108. 108. Analisi del clima e obiettivi di comfort termico
    109. 109. Il diagramma di Olgyay enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    110. 110. Il diagramma di Olgyay Posso aumentare la velocità dell’aria (qui espressa in piedi al minuto) Se aumento la velocità dell’aria, l’area di comfort si sposta (ampiandosi leggermente) verso zone più calde e meno umide enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    111. 111. Il diagramma di Olgyay Posso aumentare l’irraggiamento (BTU/ora!!) a cui sono soggetto L’area di comfort si sposta (riducendosi) verso zone più fredde enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    112. 112. Il clima nel diagramma di Olgyay New York – New Jersey anni 60’ enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    113. 113. Il clima nel diagramma di Olgyay enrico.deangelis@polimi.it Minneapolis: freddino, umidiccio! 10/10/13
    114. 114. Il clima nel diagramma di Olgyay enrico.deangelis@polimi.it Minneapolis 10/10/13
    115. 115. Il clima nel diagramma di Olgyay Phoenix – Arizona: molto variabile, secco enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    116. 116. Il clima nel diagramma di Olgyay enrico.deangelis@polimi.it Phoenix – Arizona 10/10/13
    117. 117. Il clima nel diagramma di Olgyay Miami – Florida: caldo umido enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    118. 118. Il clima nel diagramma di Olgyay Miami – Florida enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    119. 119. L’area di comfort (ISO 7730) nel diagramma psicrometrico enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    120. 120. Tipologie di clima nel diagramma psicrometrico enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    121. 121. Zone climatiche enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    122. 122. la SET nel diagramma psicrometrico (Standard Effective Temperature) Quando fa freddo, la SET è quasi verticale (scarsa influenza dell’umidità); quando fa caldo, si avvicina progressivamente alla Tbu fino a superarla per inclinazione enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    123. 123. I limiti di comfort nel diagramma psicrometrico enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    124. 124. Adattamento enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    125. 125. Estensione potenziale delle zone di comfort enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    126. 126. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    127. 127. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    128. 128. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    129. 129. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    130. 130. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    131. 131. Costruzione del diagramma psicrometrico: psat(θ) UNI EN ISO 13788 enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    132. 132. Il foglio excel del diagramma psicrometrico 1. 2. 3. 4. Colonna x = -20°C – 50°C (passo 1°C): (A2:A72) Riga y = 100% – 10 % (passo 10%): (B1:K1) Matrice dati: (B2:K72) Contenuto prima cella (B2): =SE($A2<0;610,5*EXP(21,875*$A2/ (265,5+$A2));610,5*EXP(17,269*$A2/(237,3+$A2)))*B$1 5. Copiare verso il basso e verso destra nella matrice (B2:K72) 6. Selezionare le 72x10 celle 7. Realizzare un grafico della dispersione dei dati Usare linee o dispersioni per rappresentare il grafico? enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    133. 133. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    134. 134. Il grafico psat(θ) con le UR 13000 12000 11000 10000 9000 Pvap (Pa) 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 enrico.deangelis@polimi.it 10 20 30 Tbs (DBT) (°C) 40 50 10/10/13
    135. 135. Il grafico mv,sat(θ) 90 80 70 mH2O (g/m3) 60 50 40 30 20 10 0 0 enrico.deangelis@polimi.it 5 10 15 20 25 30 Tbs (DBT) (°C) 35 40 45 50 10/10/13
    136. 136. Il grafico xsat(θ) 100 90 80 x (g/kg) 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    137. 137. Per costruire il grafico … Abbiamo bisogno di ricordarci alcune cose: Absolute humidity (umidità assoluta o concentrazione di vapore): mw=Mw/V (g/m3) Specific humidity (umidità specifica o titolo): x=Mvap/(Mvap+ Maria secca) Saturation pressure (pressione, in Pascal): the maximum partial vapour pressure at a given T Umidità relativa relative “distance” of vapour pressure from saturation: UR= pvap/psat (%) Legge dei gas perfetti Numero di moli n, pressione p e volume V sono legati alla temperatura assoluta di un gas perfetto secondo la ben nota legge: p·V=n·R·T enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    138. 138. Per costruire il grafico … Se conosco T posso calcolare psat. Se conosco UR posso calcolare sia mw che x, tenendo conto del fatto che paria (totale) = 101325 (Pa) Pair,dry·V=nair, dry·R·T (R=8,3145 J/K·mol) pvapour·V=nwater·R·T NB: massa molecolare: µwater=18, µair,dry=28,9 (media) In pratica, il contenuto di vapore nell’aria m dipende dalla temperatura assoluta T e dalla pressione di vapore: µ v ⋅ nv pv 18 mv = = ⋅ V 8,3145 T enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    139. 139. Umidità assoluta e specifica Massa Massa molecolare N di moli V 18 ⋅ pv ⋅ Mv µ v ⋅ nv R ⋅ T = 0,62198 ⋅ pv x= = = M as µ as ⋅ nas 28,9 ⋅ p ⋅ V pas as R ⋅T Aria secca psat ( T ) x = 0,62198 ⋅ ⋅ UR pas Pressione dell’aria secca=pressione totale meno pressione vapore pv psat ( T ) ⋅ UR x = 0,62198 ⋅ = 0,62198 ⋅ ptot − pv ptot − psat ( T ) ⋅ UR enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    140. 140. Ingrandiamo il grafico 30 25 x (g/kg) 20 15 10 5 0 0 enrico.deangelis@polimi.it 10 20 30 Tbs (DBT) (°C) 40 50 10/10/13
    141. 141. La SET: standard effective temp. 30 25 x (g/kg aria secca) Dati una temperatura operante ed una umidità relativa, la SET (T,UR) è definita come il valore della temperatura operante per cui, in condizioni di UR=50%, un soggetto caratterizzato da una determinata attività metabolica e un livello di isolamento del ve-stiario, percepisce la stessa sensazione di caldo o freddo 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    142. 142. 30 La costruzione delle linee SET 25 mH2O (g) La SET tiene conto dell’UR per quanto riguarda la percezione delle condizioni di stress termico: 20 • Bassa temperatura (<14°C): UR non è significativa • Alta temperatura: UR è via via più importante 15 10 5 0 enrico.deangelis@polimi.it 0 10 20 10/10/13
    143. 143. La costruzione delle linee SET Si ha che, nel piano (T,mv), le linee isoSET sono: • Verticali per Top<14° • Inclinate (ma non curve) per Top>14° • L’inclinazione è proporzionale a Top nella seguente misura: ∆T=∆mv*k Dove ∆mv= (mv(UR)-mv(50%)) k=(0,023*(SET-14)) In altri termini, più riduco l’umidità assoluta (concentrazione di vapore) più la temperatura operante equivalente sale, più la aumento, più la temperatura operante equivalente diminuisce. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    144. 144. La costruzione delle linee SET È possibile inserire nel grafico delle linee di isoUR sul piano (T,m v) tracciando il segmento tra i due punti limite, così determinati: T1=SET+∆mv(0,023*(SET-14)); mv=0 T2=SET-∆mv(0,023*(SET-14)); mv=mv(T=SET;100%) Si noti che T1 sta sull’asse delle ascisse, mentre T2 si trova sempre al di sopra della linea di saturazione. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    145. 145. Scelgo la SET=Top e trovo l’intercetta con la curva isoUR=50% 30 25 x (g/kg) 20 15 10 5 0 0 enrico.deangelis@polimi.it 10 20 30 Tbs (DBT) (°C) 40 50 10/10/13
    146. 146. Calcolo ∆mv, k(SET) T1 e T2 30 T2 25 x (g/kg) 20 SET 15 10 5 T1 0 0 enrico.deangelis@polimi.it 10 20 30 Tbs (DBT) (°C) 40 50 10/10/13
    147. 147. La costruzione delle linee SET 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    148. 148. Calcolare la temperatura neutra Calcolare la temperatura media mensile (12 dati) Calcolare quindi la temperatura di neutralità T n Tn=17,6+ 0,31*Testerna,media mensile Considerare i seguenti limiti: • Variazione accettabile della temperatura neutra: ∆Tn=±2,5°C (ma ATTENZIONE a non esagerare!!) • • Variazione accettabile della concentrazione di vapore da 4 a 12 g/kg Comunque UR<90% Disegnare per ciascun mese le aree di “comfort individuate attraverso tali limiti enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    149. 149. Disegnare le aree di comfort 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 Tn 0 0 enrico.deangelis@polimi.it 10 20 30 Tbs (DBT) (°C) 40 50 10/10/13
    150. 150. Disegnare le aree di comfort 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 Tn 0 0 enrico.deangelis@polimi.it 10 20 30 Tbs (DBT) (°C) 40 50 10/10/13
    151. 151. Disegnare le aree di comfort 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 Tn 0 0 enrico.deangelis@polimi.it 10 20 30 Tbs (DBT) (°C) 40 50 10/10/13
    152. 152. Disegnare le aree di comfort 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 Tn 5 0 0 enrico.deangelis@polimi.it 10 20 30 Tbs (DBT) (°C) 40 50 10/10/13
    153. 153. Disegnare le aree di comfort 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 Tn 0 enrico.deangelis@polimi.it 0 10 20 30 40 10/10/13 50
    154. 154. Disegnare le aree di comfort 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    155. 155. Abbiamo una Tn per ogni mese … 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    156. 156. Abbiamo una Tn per ogni mese … 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    157. 157. Ci rappresentiamo il clima 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    158. 158. Come rappresentare il clima? I cicli termici giornalieri sono abbastanza costanti: • Linea tra estremo superiore alto e inferiore basso • Ciclo di valori medi di condizioni rappresentate sul piano Diagramma Olgay 35 Comfort Gennaio Temperatura 30 Febbraio 25 Marzo 20 Aprile Maggio 15 Giugno Luglio 10 Agosto 5 Settembre 0 Ottobre 20 30 40 50 60 70 Umidità relativa enrico.deangelis@polimi.it 80 90 100 Novembre Dicembre 10/10/13
    159. 159. In altri termini è possibile Calcolare le medie orarie sui trenta circa giorni del mese (ma come scegliere il mese? Quello classico o quello di 30,5 gg circa?). Quindi: • rappresentare il CICLO delle temperature medie all’ora 0, 1, 2, … 23, 24(=0). Oppure • Prendere come riferimento due soli estremi di temperatura media oraria: il più basso (la mattina molto presto) e il più alto (il primo pomeriggio) e tracciare il segmento che li unisce Non ha completamente senso rappresentare sul diagramma dati relativi ad eventi “singolari”, la minima temperatura di febbraio o la massima di luglio, ma sempre valori medi. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    160. 160. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    161. 161. Confronto disperdimenti - guadagni Consideriamo il bilancio medio mensile del fabbisogno, espresso in termini di area utile Au attraverso il coefficiente K e il salto termico medio tra temperatura interna ed esterna: E=qv+qc=K∙(Ti – Te)∙Au Possiamo sostituire Ti con la Tn minima (temperatura neutra meno 2,5) e stimare il fabbisogno energetico per “climatizzare” l’ambiente in oggetto. Consideriamo, adesso, la stagione invernale. Durante questo periodo saremo ovviamente interessati a riscal-dare gli ambienti interni massimizzando i guadagni: possiamo tenere in conto il carico termico delle persone e delle attrezzature, in primo luogo, quindi il guadagno diretto solare. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    162. 162. Confronto disperdimenti - guadagni Possiamo equiparare, mensilmente, il fabbisogno E ad un possibile guadagno G, e calcolare una temperatura esterna limite, fittizia, che rappresenta il limite oltre il quale (verso sx nel diagramma psicrometrico) devo per forza usare l’impianto di riscaldamento. Trascurando i guadagni dipendenti dall’uso dell’edi-ficio, è possibile scrivere il guadagno G in funzione dell’irradianza Ivert, di un rendimento complessivo di captazione η e di una superficie captante Aw: G= Ivert∙η∙Aw Te ,min enrico.deangelis@polimi.it Aw I vert = Tn − 2,5 − η ⋅ ⋅ Au K 10/10/13
    163. 163. Confronto disperdimenti - guadagni Ho calcolato la possibile “estensione” invernale della temperatura oltre la zona di neutralità ottenibile sfruttando le disponibilità del clima. Studiamo questa semplice equazione: Te ,min = Tn − 2,5 − η ⋅ Rendimento: dipende da tante cose: massa e clima stesso … Rapporto tra superficie finestrata e superficie utile: è quello per cui il regolamento edilizio stabilisce un minimo e rappresenta un parametro progettuale importante enrico.deangelis@polimi.it Aw I vert ⋅ Au K Rapporto tra la disponibilità del clima (anche latitudine) e capacità di sfruttarlo da parte (risparmiosità) dell’edificio: come sa utiliz-zare le disponibilità solari Anche qui il progetto 10/10/13
    164. 164. Guadagni solari diretti 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    165. 165. Comfort estivo: ventilazione La cosa più semplice che posso fare, d’estate, per poter sopportare temperature superiori alla temperatura di neutralità, è ventilare, anche energeticamente. Ricordo che: • varia= 0,05 ÷ 0,15 m/s non sono quasi percepibili • • • varia< 0,15 m/s di inverno, se la temperatura dell’aria è inferiore a 20°C (non è il caso degli impianti a tutta aria ma quello dei fan coil !!) varia< 1,0 m/s d’estate, per non far volare i fogli dalla scrivania varia< 2,0 m/s d’estate, con temperature superiori a 28°÷ 30C, ma dipende dal vestito e dalle condizioni di umidità: la velocità dell’aria influenza molto l’evapotraspirazione del corpo umano. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    166. 166. Comfort estivo: ventilazione Che succede se uso ventilatori a soffitto o la ventilazione naturale (se c’è vento, per esempio) per stare “meglio”? Quali temperature esterne posso accettare senza condizionamento e impianti meccanici? Szokolay propone l’equazione seguente, valida entro velocità ragionevoli: 6 5 ∆T 4 3 2 ∆Tv − aria = 6 ⋅ varia − 1,6 ⋅ varia 2 1 0 0 enrico.deangelis@polimi.it 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 velocità dell'aria (m/s) 1,4 1,6 1,8 10/10/13 2
    167. 167. Comfort estivo: ventilazione Se tipiche del sito sono brezze frequenti o venti costanti (ma attenzione ai momenti di bonaccia: che faccio, la siesta?) posso aspettarmi almeno un 0,5 m/s anche in casa a finestre aperte (se ben esposta). Posso anche contare su altri dispositivi “naturali” che minimizzino i momenti “piatti”. Se no c’è la ventilazione meccanica (costa poco!!!) 6 5°C di più … 5 ∆T 4 3 2,5°C di più … 2 1 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 velocità dell'aria (m/s) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    168. 168. Effetto ventilazione 30 x (g/kg aria secca) 25 20 Limite massimo di SET 15 10 ∆T 5 0 0 10 20 30 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 40 Solo la metà 50 10/10/13
    169. 169. Effetto ventilazione 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    170. 170. Altre modalità di costruzione 30 x (g/kg aria secca) 25 20 95%, addirittura 98%, ma c’è chi dice 80%, anche per altri motivi 15 10 Linea verticale e non ½ inclinata 5 0 0 10 20 Oltre al limite inferiore assoluto di 6 g/kg anche il limite relativo del 20% 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    171. 171. Comfort estivo: che altro fare? Altra opzione: raffreddare per evaporazione Se il clima non è troppo umido, è possibile umidificare adiabaticamente l’aria e raffreddarla. Il calore latente di evaporazione (condensazione) è molto elevato (quasi dieci volte quello di fusione, che già non è poco!): λevap = 2260 kJ kg-1 (a 100°C) = 2500 (a 0°C) (ovviamente sul livello del mare: P = 1 atm = 1.01 x 105 Pa) Questo fa sì che il raffreddamento per evaporazione adiabatica (secondo le linee di Temperatura a bulbo umido Tbu) sia molto maggiore della riduzione che si ha in termini di SET. Se umidifico ho anche condizioni meno “confortevoli” in quanto si riduce la quantità di calore cedibile per evaporazione dal corpo umano, ma il bilancio complessivo è positivo (vedi pendenza curve) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    172. 172. Altri ricordini umidi ENTALPIA DELL’ARIA UMIDA H = Has + Hv = mas∙cp,as∙T + mw∙(λ+cp,w∙T) ENTALPIA SPECIFICA DELL’ARIA UMIDA h = 1,006 T + x∙(2501 + 1,875∙T) [kJ/kgas] calore specifico vapore (attenzione, varia per T) calore specifico aria secca calore specifico di vaporizzazione, anche questo varia al variare di T enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    173. 173. Altri ricordini umidi La formula dell’entalpia, essendo predominante il secondo termine rispetto al terzo, per la variabilità di temperature e di titolo che ci interessano, assomiglia a quella di un piano nello spazio (h, x, T). Se imponiamo h = 1,006 T + x∙(2501 + 1,875∙T) = COSTANTE Possiamo eguagliare l’entalpia in condizioni di UR=100% a quella UR=0% e trovare due punti per cui passa questa quasi retta: Primo punto: (T, x=621,98 ∙psat/(patm-psat)) Secondo pt: (T+∆T, x=0) Dove ∆T = x∙(2501 + 1,875∙T)/1006 (per x in g/kgas) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    174. 174. 30 Umidificazione adiabatica x (g/kg aria secca) 25 20 Limite di 11°C 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    175. 175. 30 Umidificazione adiabatica x (g/kg aria secca) 25 20 Limite di 11°C 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    176. 176. Raffreddamento diretto/indiretto Nel primo caso si intende il raffreddamento per umidificazione della stessa aria interna. Nel secondo il raffreddamento per umidificazione dell’aria esterna e il successivo utilizzo di quest’ultima per raffreddare l’aria interna attraverso un apposito scambiatore. Non si tratta di una strategia passiva a tutti gli effetti, ma non si tratta neppure di impianti particolarmente “costosi” e ad elevato fabbisogno in termini di energia necessaria per la movimentazione dell’aria. In quest’ultimo caso si allargano ulteriormente i limiti, benchè ci si mantenga al di sotto … enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    177. 177. 30 Umidificazione adiabatica solo diretta x (g/kg aria secca) 25 20 Limite di 11°C 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    178. 178. 30 Umidificazione adiabatica diretta e indiretta x (g/kg aria secca) 25 20 Limite di UR Limite di 14°C Limite a 14 g/kg 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    179. 179. Comfort estivo: che altro fare? La questione non è facilme, sia in termini modellistici, di fisica dell’edificio, sia in termini progettuali complessivi. L’ambiente confinato non climatizzato, in estate, è caratterizzato da: • • • • Carichi interni (persone, attrezzature) Apporti gratuiti (pareti, anche se isolate, soprattutto serramenti e altre parti trasparenti Importanti transfer di massa “casuali” (ventilazione, non controllata meccanicamente) Accumulo termico parziale dell’energia scambiata La prima domanda da porci è: • Quanto è variabile il clima esterno? enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    180. 180. Quanto variano le condizioni climatiche durante il giorno (24h)? Se non variano in maniera significativa, la ventilazione e l’umidificazione sono l’unica risorsa (oltre l’AirCon). Se, invece, nelle 24h, l’escursione delle temperature (conseguentemente anche dell’umidità) è significativa, posso sfruttare questa potenzialità. Se l’ambiente esterno raggiunge temperature inferiori alla temperatura di neutralità calcolata per le massime medie mensili delle temperature esterne, posso fare molto. Se non sono così fortunato, posso comunque cercare di minimizzare il surriscaldamento giornaliero. Le possibili strategie devono lavorare sulla VARIAZIONE delle condizioni al contorno: • Minimizzare gli scambi quando fuori fa troppo caldo • Massimizzarli quando fuori fa “più” freddo enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    181. 181. Minimizzare gli scambi Se il mio carico interno è trascurabile, mi concentro sugli apporti solari e cerco di renderli minimi: • Parti opache: • ISOLAMENTO • RIFLESSIONE • TRASFORMAZIONE (per es. evaporazione) • Parti trasparenti • Minimizzare le aperture • Ombreggiare • Fare in modo che gli elementi che “ombreggiano” si scaldino il meno possibile (reirraggiamento) Infine, non mi conviene fare entrare aria esterna in grande quantità durante il giorno, meglio usare ventilatori e garantire solo un minimo n. di ricambi enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    182. 182. Massimizzare gli scambi Se il mio carico interno è importante, devo smaltirlo e la ventilazione è fondamentale: ventilazione generale ma anche locale, se ci sono sorgenti di calore non distribuite (cappe, come con gli inquinanti ma non per la componente radiativa …). Se anche i carichi interni hanno una ciclicità e sono contemporanei agli apporti solari, sono messo male: devo ventilare per asportare calore ma lo dovrei fare proprio quando è caldo. In questo caso, se il carico è diffuso (non è un forno, che posso isolare e ventilare separatamente) come in una fiera o una sala conferenze, non ho molte possibilità di abbassare la temperatura, se non cercare di sfruttare l’accumulo termico. enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    183. 183. Clima caldo secco con escursioni Durante le ore più calde del giorno: • Minimizzo gli apporti solari • Tengo chiuse le finestre (oppure faccio entrare aria fresca ma non la posso “conservare da qlche parte, devo raffreddarla, naturalmente ma raffreddarla) • Se ne ho bisogno, posso raffreddare l’aria, umidifiucandola, o azionare ventilatori interni Dopo il tramonto: • Apro le finestre e faccio circolare l’aria • Ventilo in maniera determinata durante tutta la notte, in maniera da raffreddare al meglio l’edificio enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    184. 184. Caso non massivo, scarso isolamento scarsa protezione solare Temperatura aria interna Temperatura aria esterna Guadagno netto interno Flusso netto USCENTE enrico.deangelis@polimi.it DISPERDIMENTI 10/10/13
    185. 185. Che succede nel diagramma psicrom.? 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    186. 186. Caso massivo, ma scarso isolamento e scarsa protezione solare Temperatura aria interna Temperatura aria esterna Guadagno netto interno Gli stessi guadagni, nel caso massivo, producono minori variazioni di temperatura interna enrico.deangelis@polimi.it DISPERDIMENTI 10/10/13
    187. 187. Che succede nel diagramma psicrom.? 30 x (g/kg aria secca) 25 20 Avere diminuito le massime è già una cosa buona 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    188. 188. Caso massivo, buon isolamento e buona protezione solare ma riduco anche questi disperdimenti Temperatura aria interna Riduco questi apporti Temperatura aria esterna Guadagno netto interno enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    189. 189. Che succede nel diagramma psicrom.? 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    190. 190. Caso massivo, buon isolamento e buona protezione solare ma riduco anche questi disperdimenti Temperatura aria interna Non solo riduco questi apporti Temperatura aria esterna Guadagno netto interno Aumentando l’efficienza di scambio quando Test<Tint asporto calore anche con un salto di temperatura minimo enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    191. 191. Che succede nel diagramma psicrom.? 30 x (g/kg aria secca) 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    192. 192. Che succede nel diagramma psicrom.? 30 x (g/kg aria secca) 25 20 Per questo posso sempre usare l’umidificazione adiabatica! EFFETTO SOVRAPPONIBILE 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    193. 193. Regola del pollice Szokolay dice: siano: Tmed,mese = (Tmin,mese+Tmax,mese)∙0,5 ∆Tmed,mese = (Tmax,mese – Tmin,mese)∙0,5 Supponiamo che la temperatura media esterna del mese rientri nella zona di comfort. Se abitassimo in un edificio pesantissimo e non dovessi smaltire carichi termici significativi, la temperatura dell’aria interna sarebbe praticamente sempre uguale alla media esterna del mese e non avrei nessun problema. Secondo Szokolay è ragionevole che in un ambiente protetto e ventilato con cura, senza carichi termici di notevole entità, l’effetto della massa si traduca nel limite all’escursione intorno alla Tmed,mese entro lo ± 0,2∙∆Tmed,mese L’incremento della Tn sarà Tmax=Tn+2,5+0,3∙∆Tmed,mese enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    194. 194. Regola del pollice: Szokolay dice ancora (non sono parole sue!): È ragionevole pensare che, se nell’ambiente vi sono masse “libere” disponibili, cioè se possiamo e sappiamo sfruttare bene le capacità di accumulo del sistema edificio portando al suo interno, la notte, l’aria esterna più fresca, il bilancio termico si può invertire: RADDOPPIAMO l’effetto della massa associato alla VENTILAZIONE FORZATA durante la notte. Propone il seguente incremento: Tmax=Tn+2,5+0,6∙∆Tmed,mese enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    195. 195. Umidificazione adiabatica diretta e indiretta 30 x (g/kg aria secca) 25 20 0,6 ∆T 15 10 5 2,5+0,6 ∆T 0 0 10 20 30 40 50 Tbs (DBT) (°C) enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13
    196. 196. Climate consultant Freeware, graphic-based SW that displays climate data in many ways. It plots sun dials and sun shading charts overlaid with the hours when solar heating is needed or when shading is required. The psychrometric chart analysis shows the most appropriate passive design strategies in each climate, while the new wind wheel integrates wind velocity and direction data with concurrent temperatures and humidities and can be animated hourly, daily, or monthly. •Download Climate Consultant 5.4 [For Windows] (33 MB) •Download Climate Consultant 5.4 [For Mac] (13 MB) Ci sono alcuni video in inglese che spiegano l’uso: http://youtu.be/YLZJC0UkDLk enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13 196
    197. 197. I risultati dell’analisi climatica enrico.deangelis@polimi.it 10/10/13

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