Climate design - basics

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

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

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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


CLIMATE DESIGN

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0. premesse

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Ambiente
Latino

ambiens [da amb(o)-ire]

Inglese

environment

Francese environnement
Tedesco Umwelt
Spagnolo medio ambiente


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Ambiente naturale

LAGO BALARUS – Minsk http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Swamp_lake_Balarus.jpg

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Ambiente confinato

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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


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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


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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


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Condizioni ambientali esterne (reali)

PRESTAZIONI DI
“DIFESA” o
CONSERVAZIONE

Modifica intelligente della
configurazione dell’involucro

IMPIANTO

Condizioni ambientali interne (ideali, di comfort)

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La seconda pelle


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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


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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

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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.

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Il clima umido (A)


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Il clima arido e semiarido (B)


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L’europa

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Il mondo

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Dal Macroclima al microclima


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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

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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


STIMOLO Sensoriale

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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

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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


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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 …


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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 …)


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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


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Bilancio energetico e temperatura corporea
37 oC

Hot

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.
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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


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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

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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

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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.


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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

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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

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Termoscambio e igroscambio


Tra 20 < T < 35°C il calore totale dissipato si mantiene costante
Freddo: prevale termoscambio: f (T)
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Caldo: prevale igroscambio: f(UR, varia)

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)


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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

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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)

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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


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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.


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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?


10/10/13

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):

• Un globotermometro “umido” per varia, Tmr e UR

10/10/13

Le temperature
“equivalenti”
o “effettive”


10/10/13

La temperatura equivalente standardizzata (SET)


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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)


10/10/13

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)


10/10/13

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 …


10/10/13

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


1

2

3

4

Metabolic Rate

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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

1

2

3

4

Metabolic Rate
10/10/13

http://webfea-lb.fea.aub.edu.lb/

Il bilancio energetico della macchina
termica “corpo umano”

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


Molte delle immagini sono tratte da una
presentazione realizzata da INNOVA

10/10/13

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


10/10/13

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

10/10/13

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


10/10/13

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
Qtot= 0,70 met =40 W/mq

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 …

10/10/13

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.


10/10/13

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


10/10/13

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


10/10/13

Resistenza termica dei vestiti


10/10/13

Vestiti e attività


10/10/13

Il bilancio termico

Cres + Eres


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

Il bilancio termico

Cres + Eres


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

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)


- +3 Hot
- +2 Warm
- +1 Slightly warm
- +0 Neutral
- - 1 Slightly cool
- -2 Cool
- -3 Cold

10/10/13

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

10/10/13

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


10/10/13

… 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

10/10/13

Correlazione
PMVdeltat/deltaL

Nota bene, in questi
grafici: PMV=Y
P. Ole Fanger, 1972

10/10/13

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

10/10/13

Temperatura ottimale (PPD=5%)

1,7 CLO
2,5 MET
RH=50%
tco=6oC

0,8 CLO
2,2 MET
RH=50%
tco=18oC.

0,5 CLO
1,2 MET
RH=50%
tco=24,5oC.
10/10/13

UNI EN ISO 7730


10/10/13

Aree fanger

UNI EN ISO 7730


10/10/13

Il modello ADATTIVO
Per gli spazi non climatizzati – “adattabili”

Sarebbe abbastanza naturale …

When the air condition
system fails you can
adapt by adjusting your
CLO value


10/10/13

Mi adatto d’inverno …

Winter in Saidu Sharif, Pakistan (photo M Humpheys)

10/10/13

… e d’estate

Summer in Saidu Sharif, Pakistan (photo M Humpheys)

10/10/13

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

10/10/13

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

10/10/13

… 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

10/10/13

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

10/10/13

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

10/10/13

In Iran


10/10/13

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)

10/10/13

38

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

10/10/13

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”.

10/10/13

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

10/10/13

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


10/10/13

Adattamento termico

N.Baker (1996),
Energy&Building

10/10/13

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.

10/10/13


10/10/13

Fattori locali del comfort termico

Non solo le condizioni medie contano
(della pelle)

Correnti d’aria


10/10/13

Dissatisfied

Correnti d’aria

Mean Air Velocity


10/10/13

Asimmetria radiante


10/10/13

Asimmetria verticale

Vertical Air Temperature Difference is the
difference between Air Temperature at
ankle and neck level (hot ceiling only).


10/10/13

Temperatura del pavimento

Acceptable floor temperatures ranging
from 19 to 29 oC.


The graph is made on the assumption
that people wear “normal indoor
footwear”.
10/10/13

NOTA A MARGINE
Le trasformazioni dell’ARIA UMIDA
Giusto un pochino di ripasso,
non da progettisti di impianti

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.


10/10/13

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 %


10/10/13

Il diagramma psicrometrico


10/10/13

Trasformazioni dell’aria

TEMPERATURA
DI RUGIADA


Raffreddamento e riscaldamento semplici

10/10/13

Trugiada diverse per diverse UR


10/10/13

Trasformazioni dell’aria

TEMPERATURA A
BULBO UMIDO


Umidificazione adiabatica

10/10/13

Calcolo UR da Tbs e Tbu


10/10/13

Umidificazione isoterma


10/10/13

Miscelazione


10/10/13

Analisi del clima
e obiettivi di comfort termico

Il diagramma
di Olgyay


10/10/13

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


10/10/13

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


10/10/13

Il clima nel diagramma di Olgyay

New York – New Jersey anni 60’

10/10/13



Minneapolis: freddino, umidiccio!

10/10/13



Minneapolis

10/10/13


Phoenix – Arizona: molto variabile, secco

10/10/13



Phoenix – Arizona

10/10/13


Miami – Florida: caldo umido

10/10/13


Miami – Florida

10/10/13

L’area di comfort (ISO 7730)
nel diagramma psicrometrico


10/10/13

Tipologie di clima
nel diagramma psicrometrico


10/10/13

Zone climatiche


10/10/13

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


10/10/13

I limiti di comfort nel diagramma psicrometrico


10/10/13

Adattamento


10/10/13

Estensione
potenziale
delle zone di
comfort


10/10/13

Costruzione del diagramma psicrometrico: psat(θ)

UNI EN ISO 13788


10/10/13

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?


10/10/13

Il grafico psat(θ) con le UR
13000
12000
11000
10000
9000
Pvap (Pa)

8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0


10

20

30

Tbs (DBT) (°C)

40

50

10/10/13

Il grafico mv,sat(θ)
90
80
70

mH2O (g/m3)

60
50
40
30
20
10
0
0


5

10

15

20

25

30

Tbs (DBT) (°C)

35

40

45

50

10/10/13

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)


10/10/13

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
10/10/13

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

10/10/13

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

10/10/13

Ingrandiamo il grafico
30

25

x (g/kg)

20

15

10

5

0
0


10

20

30

Tbs (DBT) (°C)

40

50

10/10/13

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)

10/10/13

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


0

10

20
10/10/13

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.


10/10/13

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.


10/10/13

Scelgo la SET=Top e trovo l’intercetta con la curva
isoUR=50%
30

25

x (g/kg)

20

15

10

5

0
0


10

20

30

Tbs (DBT) (°C)

40

50

10/10/13

Calcolo ∆mv, k(SET) T1 e T2
30

T2

25

x (g/kg)

20

SET

15

10

5

T1
0
0


10

20

30

Tbs (DBT) (°C)

40

50

10/10/13

30

x (g/kg aria secca)

25

20

15

10

5

0
0

10

20

30

40

50

Tbs (DBT) (°C)

10/10/13

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

10/10/13

Disegnare le aree di comfort
30

x (g/kg aria secca)

25

20

15

10

5

Tn

0
0

10

20

30

Tbs (DBT) (°C)

40

50
10/10/13

30

x (g/kg aria secca)

25

20

15

10

5

Tn
0
0

10

20

30

Tbs (DBT) (°C)

40

50
10/10/13

30

x (g/kg aria secca)

25

20

15

10

Tn

5

0
0


10

20

30

Tbs (DBT) (°C)

40

50

10/10/13

30

x (g/kg aria secca)

25

20

15

10

5

Tn

0
0

10

20

30

40

10/10/13
50

30

x (g/kg aria secca)

25

20

15

10

5

0
0

10

20

30

40

50

Tbs (DBT) (°C)

10/10/13

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)

10/10/13

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)

10/10/13

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


80

90

100

Novembre
Dicembre

10/10/13

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.

10/10/13

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.


10/10/13

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


Aw I vert
= Tn − 2,5 − η ⋅
⋅
Au K

10/10/13


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

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

Guadagni solari diretti
30

x (g/kg aria secca)

25

20

15

10

5

0
0

10

20

30

40

50

Tbs (DBT) (°C)

10/10/13

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.


10/10/13

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


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

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)


10/10/13

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)

40

Solo la metà

50

10/10/13

Effetto ventilazione
30

x (g/kg aria secca)

25

20

15

10

5

0
0

10

20

30

40

50

Tbs (DBT) (°C)

10/10/13

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)

10/10/13

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)

10/10/13

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


10/10/13

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)


10/10/13

30

x (g/kg aria secca)

25

20
Limite di 11°C

15

10

5

0
0

10

20

30

40

50

Tbs (DBT) (°C)

10/10/13

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 …


10/10/13

30
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)

10/10/13

30
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)

10/10/13

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?


10/10/13

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


10/10/13

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

10/10/13

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.


10/10/13

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


10/10/13

Caso non massivo, scarso isolamento
scarsa protezione solare

Temperatura aria interna

Temperatura aria esterna
Guadagno netto interno

Flusso netto USCENTE


DISPERDIMENTI

10/10/13

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)

10/10/13

Caso massivo, ma scarso isolamento
e scarsa protezione solare



Gli stessi guadagni, nel caso massivo,
producono minori variazioni di
temperatura interna

DISPERDIMENTI

10/10/13

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)

10/10/13

Caso massivo, buon isolamento
e buona protezione solare
ma riduco anche questi disperdimenti


Riduco questi apporti




10/10/13

Caso massivo, buon isolamento
e buona protezione solare
ma riduco anche questi disperdimenti


Non solo riduco questi apporti



Aumentando l’efficienza di scambio
quando Test<Tint asporto calore anche
con un salto di temperatura minimo

10/10/13

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)

10/10/13

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

10/10/13

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


10/10/13

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)

10/10/13

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

10/10/13

196

I risultati dell’analisi climatica


10/10/13

Climate design - basics

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