Climate design - basics

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  • 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. Summary 0. Premesse: la progettazione bioclimatica 1. Il clima e la classificazione del clima secondo Kppen. 2. Lanalisi del clima nel diagramma psicrometrico secondo Givoni. 3. Lutilizzo di Climate Consultant (freeware) e dei siti per il recupero dei dati climatici. 4. Le prestazioni termiche dellinvolucro edilizio e le prestazioni energetiche delledificio: una possibile sequenza progettuale. 5. Costruzione di un foglio di calcolo per la scelta delle prestazioni termiche [email protected]/10/132 3. Dipartimento di Architecture, Built Environment and Construction EngineeringChi 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 dellinnovazione di prodotto) Coordinatore del Corso di Dottorato di Architecture, Built Environment and Construction EngineeringINGEGNERIA dei SISTEMI EDILIZI: controllo delle PRESTAZIONI e prevenzione delle PATOLOGIE degli [email protected] DESIGN10/10/133 4. 0. premesse [email protected]/10/134 5. Ambiente Latinoambiens [da amb(o)-ire]IngleseenvironmentFrancese environnement Tedesco Umwelt Spagnolo medio [email protected]/10/13 6. Ambiente [email protected] LAGO BALARUS Minsk http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Swamp_lake_Balarus.jpg10/10/13 7. Ambiente confinato [email protected]/10/137 8. complesso delle condizioni fisiche (temperatura, pressione atmosferica, umidit atmosferica, irradiazione ...) che caratterizzano, periodicamente, durante lanno, una regione o una localit.Clima Grecoklima [inclinazione (della terra risp. al sole)]IngleseclimateFrancese climat Tedesco klima Spagnolo [email protected]/10/13 9. realizzare un ambiente di vita e soddisfare determinate esigenze delluomo mediante luso di sistemi compatibili con lambiente e reversibili, facendo ricorso alle risorse disponibili, utilizzando prodotti reinseribili nei cicli di vita naturali.Progettazione [email protected]/10/13 10. realizzare un ambiente di vita che soddisfa le principali esigenze delluomo facendo il minimo uso di risorse non rinnovabili, nel ciclo di vita. Sfruttare al meglio le potenzialit del clima e del luogo.Progettazione (bio)[email protected]/10/13 11. Condizioni ambientali esterne (reali)PRESTAZIONI DI DIFESA o CONSERVAZIONEModifica intelligente della configurazione dellinvolucroIMPIANTOCondizioni ambientali interne (ideali, di comfort) [email protected]/10/13 12. La seconda [email protected]/10/1312 13. Una breve digressione sulle classificazioni del clima. Kppen: valori medi mensili di Ta e piovositDalle slides di Dr. R. B. SchultzIl klima (inclinazione) non [email protected]/10/1313 14. Un breve approfondimento sul clima: la classificazione di V. Kppen 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 dellarea B sulle precipitazioni Poi ci sono delle sottocategorie, che definiscono delle specifiche condizioni climatiche, usando due lettere minuscole [email protected]/10/1314 15. I sotto gruppi climatici di Kppen Piovosit 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>22C. b estati temperate con T10C. d inverni freddi con temperature minime 18C. k clima freddo-secco con T media annua < 18C. [email protected]/10/1315 16. Il clima umido (A)[email protected]/10/1316 17. Il clima arido e semiarido (B)[email protected]/10/1317 18. Leuropa [email protected]/10/13 19. Il mondo [email protected]/10/13 20. Dal Macroclima al [email protected]/10/13 21. Condizioni ambientali esterne (microclima reale)Il CLIMATIC DESIGN sfrutta al meglio le condizioni ambientali esterne Modifica intelligente della configurazione dellinvolucro PRESTAZIONI DI DIFESA o CONSERVAZIONEAl fine di garantire le Condizioni ambientali interne (ideali, di comfort) [email protected]/10/13 22. Le esigenze di comfort Proteggere dagli eventi meteorici Proteggere dal freddo Proteggere dal caldoNeutralit sensoriaGarantire unadeguata QUALITA DELLARIA Contenere il disturbo da parteD di rumori e di suoni Garantire condizioni di illuminazione adeguate alle attivit che devo svolgere nellambiente confinato e livelli di illuminazione naturale coerenti con lorario Garantire la visibilit [email protected] Sensoriale10/10/1322 23. Le esigenze di comfort termico Proteggere dal freddo: Garantire una temperatura dellaria adeguata Limitare gli scambi radiativi verso sorgenti fredde Mantenere lumidit sufficientemente alta (limitare levaporazione e la secchezza) Proteggere dal caldo: Proteggere dallirraggiamento diretto (sole), diffuso (cielo o semi-trasparenze) o riflesso Limitare gli apporti radiativi da sorgenti calde Garantire una temperatura dellaria e Garantire una ventilazione che permettono il naturale raffreddamento per evaporazione del corpo umano [email protected]/10/1323 24. TEMPERATURA dellARIA (Ta) VELOCITA del VENTO (vv) UMIDITA RELAT/ASSOLUTA (UR; mH2O) IRRADIANZA (Ib, Id) ALBEDO (r) PIOVOSITALa climatologiaCondizioni ambientali esterne (reali)TEMPERATURA dellARIA (Ta) VELOCITA dellaria UMIDITA RELAT/ASSOLUTA (UR; mH2O) TEMPERATURA MEDIA RADIANTECondizioni ambientali interne (ideali, di comfort) [email protected]/10/13 25. Condizioni ambientaliIn realt la neutralit non esiste, anzi, in assenza di stimoli stiamo MALISSIMO (la privazione sensoriale 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 pi attenti e produttivi Condizioni igieniche o di salute: Che non sono causa di malattia, perdita temporanea o irreversibile di capacit o abilit (comunque non pi velocemente di quanto ne perderei invecchiando naturalmente): spesso lesposizione prolungata a condizioni non igieniche che genera malattia, patologia, sindromi [email protected]/10/13 26. Il comfort termicoASHRAE: american society of Heating Refrigerating and Air-conditioning EngineersLassociazione 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 riportata nella norma ISO 7730 dedicata agli ambienti confinati moderati (basso stress termico) ATTENZIONE: si vive pi del 90% del nostro tempo in ambienti confinati!! (in certi casi anche di pi, considerando auto e altri mezzi di trasporto )[email protected]/10/13 27. Il bilancio energetico Il corpo umano una macchina termica impostata per lavorare tra 3637 C (dipende dalle parti). Consumiamo sempre un po di energia (metabolismo basale) pi quella che ci serve per muoverci, parlare, fare qualsiasi cosa: in termini fisici produrre lavoro. Lenergia consumata e non trasformata in lavoro viene dispersa nellambiente sotto forma di calore. Il nostro corpo programmato per segnalare eventuali anomalie in tal senso, ovvero accorgersi se pu disperderere la quantit di energia consumata (non di meno e non di pi), perch se no ha dei problemi: Cresce la sua temperatura se non riesce a smaltirlo o addirittura ne riceve dallambiente Si abbassa se la quantit di calore prodotto inferiore a quella che [email protected]/10/13 28. Bilancio energetico e temperatura corporea 37 oCHot [email protected] oCSe 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 lemissione di calore) RAFFREDDAMENTO la tempe-ratura della pelle scendeColdSulla nostra pelle ci sono sensori di caldo e di freddo che segnalano quando la sua temperatura si avvi-cina ai 37C o scende al di sotto di 34C. 10/10/13 29. Termoregolazione Il nostro corpo segnala le variazioni di temperatura della pelle ma la loro accettabilit varia in funzione del livello metabolico: se sto correndo non ho problemi ad accettare una temperatura della pelle pi bassa e un tasso di produzione del sudore elevato! Sulla base delle segnalazioni, modifica il proprio comportamento per evitare leccessivo surriscaldamento o raffreddamento: I sensori inviano segnali allipotalamo (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 [email protected]/10/13 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 [email protected]/10/13 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 [email protected]/10/13 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 ci, 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 pi energie per [email protected]/10/13 33. Climi caldi Meccanismi di autocontrollo Vasodilatazione Sudorazione Perspirazione RespirazioneEffetti Aumenta temperatura epiteliale: se Top > Tepiteliale (diminuzione calore entrante nellorganismo) se Top < Tepiteliale (aumento calore uscente dallorganismo) Transfert di massa per emissione di sudore; evaporazione: asportazione calore latente Evaporazione acqua dai pori della pelle anche in assenza di sudorazione Emissione aria pi umida di quella assuntaPassando dal clima freddo a quello caldo il tempo di acclimatazione molto lungo. Lapporto di sangue verso i tessuti epiteliali pu aumentare fino al 20%. Notevole incremento della sudorazione. I processi interni di adattamento di questi fenomeni sono molto lenti. Rischio di ipertermia: T > 40C = colpo di caldo; T > 41C = morte imminente; T > 42C = scarsa possibilit di sopravvivenza [email protected]/10/13 34. Climi Freddi Meccanismi di autocontrolloEffetti 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/VPassando dal calore dovuta al calore latente molto ridotta e dipende esclusivamente da La cessione diclima freddo a quello caldo il tempo di acclimatazione molto lungo. Lapporto di sangue verso tessuti epiteliali pu aumentare quello 20%. Notevole incremento della sudorazione. perspirazioneie respirazione. Dal clima caldo a fino al freddo, il tempo di acclimatazione breve. ViI processi interni di adattamento calorico (alimentazione) dovuto al diverso metabolismo. infine un incremento del tassodi questi fenomeni sono molto lenti. ipertermia: T > 40C = colpo di caldo; T > 41C = morte imminente; T > 42C = scarsa Rischio di ipotermia Tcorporea 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) [email protected]/10/13 39. Termofisiologia umana fattori che influenzano la percezione della qualit ambientale Acclimatazione Grassezza generale (varia il coefficiente volumico S/V) Grasso sottocutaneo (isolamento) Condizioni di salute Attivit fisiche (metabolismo muscolare) Alimentazione solida o liquida Sesso (genere diverso metabolismo diverso) Abbigliamento (clo) Note Con aria ferma lincremento di 1 clo pu compensare un abbassamento di temperatura di 7C normalmente pi gradita una situazione in cui Tmr sia superiore alla [email protected]/10/13 40. I primi studi sul comfort I primi studi sul comfort termico (fine 800) tentano di definire una TEMPERATURA EQUIVALENTE, la temperatura dellaria di un un ambiente termicamente isotropo e tranquilllo in cui provo la stesa sensazione di freddo (o caldo o di neutralit 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 pi 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 allambiente in equilibrio con laria), utilizzando un parametro di immediata [email protected]/10/13 41. Le temperature equivalenti o effettive Chiarito che le caratteristiche di un ambiente influenzanti la sensazione di comfort sono, oltre alla temperatura dellaria: Temperatura media radiante Velocit dellaria Concentrazione di umidit (misurabile in tanti modi, vedi in particolare la temperatura a bulbo umido) Lidea alla base 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 lambiente standard perch tu possa sentire la stessa [email protected]/10/13 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 velocit dellaria (NB: al di sopra di 34-36C aumentando la velocit 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).Lindice pi complesso fino a non molto tempo or sono era quello della temperatura effettiva corretta che veniva correlata direttamente alla WBGT (wet bulbe globe thermometer): [email protected] Un globotermometro umido per varia, Tmr e UR10/10/13 43. Le temperature equivalenti o [email protected]/10/13 44. La temperatura equivalente standardizzata (SET)[email protected]/10/13 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 produttivit, conoscere le condizioni ottimali di lavoro e prevedere laffaticamento 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 neutralit per adattamento al clima esternoHSI (heat stress index)[email protected]/10/13 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 come dicevamo una macchina termica che si pone in equilibrio con lambiente 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 possibile determinare la temperatura cutanea e il tasso di sudorazione ideali e questi dipendono dal livello metabolico (calore prodotto/da smaltire)[email protected]/10/13 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 TemperatureTn Neutral TemperatureTemperatura [email protected]/10/13 48. Temperatura cutanea ideale La sensazione di MALESSERE si ha, in condizioni invernali, quando la pelle si porta ad una temperatura pi bassa del valore naturale, determinabile in funzione del tasso di produzione metabolica. C.Mean Skin Temp.o34 33 32 31 30 29 [email protected] Rate10/10/13 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 100Sweat prod.80 60 40 20 0 [email protected] Rate 10/10/13 50. http://webfea-lb.fea.aub.edu.lb/Il bilancio energetico della macchina termica corpo umano 51. Energia da disperdere0.8 Met8 Met 1 MetDipende da quello che sto facendo, dal mio stato di salute e dalle mie dimensioni corporee. Esistono, tuttavia, valori medi forniti, per semplicit di calcolo, per unit di superficie e non per unit di peso (massa corporea, ma si dovrebbe parlare di massa muscolare).4 [email protected] delle immagini sono tratte da una presentazione realizzata da INNOVA10/10/13 52. Energia da disperdereIl lavoro di cantiere (muratore, carpentiere)? Lagricoltore che zappa? UNI EN ISO 77306,5 metCorrere veloce (15 km/h)?4,7 met9,5 [email protected]/10/13 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 unidea, si sappia che la formula utilizzata (Du Bois) correla la superficie corporea (totale) con il peso e laltezza tramite la formula: Scorpo = 0,202*m0,425 * h0,725 La superficie corporea di un adulto 1,52,5 m2 Il mio metabolismo basale (40 W/mq * 2,3 mq) di poco pi di 90 W, quando guardo la televisione circa 130 e quando chiacchiero, in piedi cos, quasi 200. Correndo a oltre 9,0 km/h brucio quasi 1 kW, per un ora fa un kWh, pi di un etto di peso smaltito (se non mangio pi del solito): circa 7 kWh/kg [email protected]/10/13 54. Energia che disperdo nudo NUDI, nel vuoto, solo per irraggiamento, con la pelle in condizioni di temperatura normali: Qrad = T4 (W/m2)Dove = 5.6710-8 W/K4/m2 ed il coefficiente = 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 =27C le cose sono diverse: Qrad = T4 Tmr4 = 31 (W/m2) = 0,54 [email protected]/10/13 55. Energia che disperdo nudo NUDI, solo per convezione: Qconv = hc(-a) (W/m2)Dove la temperatura media della pelle. Il coefficiente convettivo dipende se sto seduto, in piedi, eccetera, e dalla eventuale velocit del vento. In ambienti interni: hc=3,5+4,9*va (W/m2C)(Se sto sdraiato per terra sar 3,5, se mi muovo un po, almeno 4,0, se cammino lentamente 8,5. Pi veloce di 1 m/s, cambia la formula del coefficiente liminare)NUDI in una stanza con a = mr=27C e pelle=32C Qrad = T4 Tmr4 = 31 (W/m2) = 0,54 metQconv = 4,0*5 = 20 (W/m2) = 0,35 met(Si deve solo tenere in conto che, per la non convessit della superficie del corpo umano, devo sommare 10/10/13 cui 0,7*Q rad, per [email protected] Qtot= 0,70 met =40 W/mq 56. La pelle traspira e suda Lintero epitelio (compresa bocca trachea e polmoni) lascia evaporare acqua: Respirazione Traspirazione SudorazioneIl calore latente di evaporazione della soluzione salina (liquidi cellulari) 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, per). Ovviamente, per potere sfruttare il raffreddamento per evaporazione, la temperatura superficiale del corpo umano deve essere inferiore alla temperatura di rugiada Finch la temperatura dellaria inferiore a quella della pelle tutto va bene. Quando superiore potrebbe anche accadere che sulla pelle condensi [email protected]/10/13 57. La pelle o traspira o suda Respirazione a parte, se la pelle bagnata, non si ha traspirazione, quindi o traspira o suda. La traspirazione, in particolare, dipende dalla permeabilit al vapore della pelle e dalla differenza tra la pres-sione parziale di vapore nellaria 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 dacqua, corrispondenti ad un flusso di 12 W/m2. Quando devo disperdere calore in maniera considerevole o quando non ho altri meccanismi (la temperatura dellaria e radiante sono superiori a quella della pelle, non rimane che sudare. Ovviamente dalla pelle bagnata non esce vapore ma lacqua che [email protected]/10/13 58. Se sono vestito? Introduco una resistenza del vestiario Rv, valore medio che suppongo uniformemente distribuito su tutto il corpo a temperatura media . Qrad = Tvest4 Tmr4 Qconv = hc(vest-a) Qcond = Rv (-vest) Qrad + Qconv = Qcond E posso risolvere per successive approssimazioni lequazione del bilancio: Tvest4 + (hc + Rv)vest = hc a + Tmr4 + [email protected]/10/13 59. Comfort termico ll vestiario Lunit di isolamento termico 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 clo0.5 Clo1.2 Clo0,15 Clo1.0 [email protected]/10/13 60. Resistenza termica dei [email protected]/10/13 61. Vestiti e [email protected]/10/13 62. Il bilancio termicoCres + [email protected] 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 larea 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. Il bilancio termicoCres + [email protected] 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 attivit moderate (