l Clima e Comfort: l diagrammi bioclimatici l · avviene in estate alle medie latitudini e alle basse latitudini per climi umidi, ... Il diagramma è poco efficace per edifici di

Fabio PeronUniversità IUAV - Venezia

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Clima e Comfort:diagrammi bioclimatici

Comfort termoigrometrico

Comfort è la condizione mentale che esprime soddisfazione verso l’ambiente

• labbigliamento dell’uomo, Icl

• lattività dell’uomo, Met

• ltemperatura dell’aria ta

• lvelocità relativa dell’aria va

• umidità dell’aria Ura

• temperatura media radiantedelle superfici dell’ambiente, tmr

Grandezze da cui dipende il

comfort termoigrometrico:

Non esiste un’unica condizione di comfort, ma le condizioni di comfort sono definite dalle infinite combinazioni delle sei variabili.

Le sensazioni sono soggettive Comfort: analisi sperimentali con gruppi di tester

La metrica del comfort termoigrometrico: indici di comfort

PMV = f (Icl, M, ta, va,URa, tmr)

Spinto dalla proporzionalità tra quello che si può definire il carico termico del corpo umano e la sensazione di freddo e di caldo provata dall’uomo, Fanger nel 1970 propose un nuovo indice di comfort detto PMV (PredictedMean Vote) o Voto Medio Previsto.

VOTO SENSAZIONE

+3 molto caldo+2 caldo+1 leggermente caldo0 Neutra

-1 leggermente freddo-2 freddo-3 molto freddo

Comfort termoigrometrico: bilancio di energia

Qcond - potenza scambiata per conduzione tra corpo e superfici;

Qconv -potenza scambiata per convezione tra corpo e aria;

QR - potenza scambiata per radiazione tra corpo e superfici;

QSi - potenza sensibile scambiata nei polmoni durante la respirazione;

QLi - potenza latente scambiata nei polmoni durane la respirazione;

ED - potenza latente legata alla traspirazione;ES - potenza latente legata sudorazione.

EsEdLrSrRCK QQQQQQQQ ++++++=∑I diversi termini della somma ΣQ relativi ad una singola modalità di scambiotermico sensibile o latente, possono essere esplicitati:

Gli indici di comfort

Grazie alle indagini sperimentali, Fanger ha potuto correlare indice di comfort, PMV, alle variabili ambientali e comportamentali da cui si era evidenziato dipendesse il comfort termoigrometrico.A partire dalla equazione di bilancio già vista si ottiene:

SMPMV ]028.0)036.0exp(303.0[ +−=

{ } ( ){ }( ) ( )( ) ( ){ } ( )avcvmrvv

aa

a

tthfttf

tMpM

LMpLMLMMPMV

−−+−+−

−−−−−

−−−−−−−−−−+−=

−

−

448

5

2732739610.3

340014.05867107.1

15.5842.0)(99.65733305.0)][(028.0)036.0exp(303.0[

PMV = f (Icl, M, ta, va,URa, tmr)

PPD = g (PMV)

Fanger DTU Lyngby (DK)

Comfort: riassunto

Il bilancio di energia del corpo umano:metabolismo

Un uomo adulto che dorme o che ècomunque coricato a letto producedunque, come metabolismo basale, unapotenza di circa 70-80 W.

La potenza metabolica M assume valorisubito più elevati appena l’uomo svolgauna qualsiasi attività: per un uomoseduto è intorno a 100-110 W.

M viene valutato utilizzando un’unità dimisura non appartenente al SistemaInternazionale il met pari a 58,2 W/m2.

Tale valore unitario corrisponde allapotenza metabolica per unità disuperficie corporea sviluppata da unuomo in un’attività sedentaria.

Il bilancio di energia del corpo umano:metabolismo

Activity Metabolic Rates [M] Reclining 46 W/m2 0.8 Met Seated relaxed 58 W/m2 1.0 Met Clock and watch repairer 65 W/m2 1.1 Met Standing relaxed 70 W/m2 1.2 Met Car driving 80 W/m2 1.4 Met Standing, light activity (shopping) 93 W/m2 1.6 Met Walking on the level, 2 km/h 110 W/m2 1.9 Met Standing, medium activity (domestic work) 116 W/m2 2.0 Met Washing dishes standing 145 W/m2 2.5 Met Walking on the level, 5 km/h 200 W/m2 3.4 Met Building industry 275 W/m2 4.7 Met Sports ‐ running at 15 km/h 550 W/m2 9.5 Met

Il bilancio di energia del corpo umano:la resistenza del vestiario

La resistenza termica del vestiario viene valutata con un unità Non appartenente al SI:

il clo pari a 0,155 m2K/W

0,15 Clo0.5 Clo

1.0 Clo

1.2 Clo

Il bilancio di energia del corpo umano:la resistenza del vestiario

indumento Iclu Clo Iclu m2 °C/W

Underwear Pantyhose Briefs Pants long legs

0.02 0.04 0.10

0.003 0.006 0.016

Underwear, shirts

Bra T‐shirt Half‐slip, nylon

0.01 0.09 0.14

0.002 0.014 0.022

Shirts Tube top Short sleeves Normal, long sleeves

0.06 0.09 0.25

0.009 0.029 0.039

Trousers Shorts Normal trousers Overalls

0.06 0.25 0.28

0.009 0.039 0.043

Insulated coveralls

Multi‐component fillingFibre‐pelt

1.03 1.13

0.160 0.175

Sweaters Thin sweater Normal sweater Thick sweater

0.20 0.28 0.35

0.031 0.043 0.054

Il bilancio di energia del corpo umano:la temperatura media radiante

E’ definita come la temperatura dell’involucro, nero e isotermo, di una ipotetica stanza che avrebbe con la persona lo stesso scambio di calore che si ha nella stanza reale.

Il bilancio di energia del corpo umano:la temperatura media radiante

Ti è la temperatura della superficie i-esima e FUi il fattore di vista tra l’uomo e tale superficie.

Da notare che la Tmr varia con laposizione della persona nellastanza.

4 4∑= iuimr TFT

Le norme sul comfort

• CR 1752– Ventilation of buildings-Design criteria for the indoor environment

• TC156WG12 (European Energy Performance of Buildings Directive)– Criteria for the indoor environmental quality

• TC205WG5 Building Environmental Design - Thermal Environment

• ISO EN 7730-2005Ergonomics of the thermal environment –Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort effects.

• EN 15251-2008Indoor environmental parameters for assessment of energy performance of buildings, addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics.

• ASHRAE 55-2013Thermal environment conditions for human occupancy

Criteri di progettazione

, )Class Comfort requirements Temperature range

PPD PMV Winter(1.0clo/1.2met) Summer(0.5clo/1.2 met)

[%] [/] [°C] [°C]

A < 6 ‐0.2 < PMV < + 0.2 21‐23 23.5‐25.5

B < 10 ‐0.5 < PMV < + 0.5 20‐24 23.0‐26.0

C < 15 ‐0.7 <PMV < + 0.7 19‐25 22.0‐27.0

Criteri di progettazione per PMV-PPD e temperatura operativa in ambienti

interni standard (ISO 7730-2004, ASHRAE 55-2004, CR 1752-1998).

Clima e comfort: diagramma di OlgyayIl primo diagramma bioclimatico si deve a Victor Olgyay. Si tratta del “Bio-climatic Chart” messo a punto nel 1963 “ad hoc” per evidenziare le esigenze di comfort umane e gli obiettivi di comfort della progettazione.

Al centro del diagramma sono riportate le zone di benessere estiva e invernale (in alto e più in basso), relative ad una persona vestita in modo leggero (Clo = 0,8) e in attività sedentaria (1 Met) e in ombra (nessuna radiazione solare).

La parte al di sotto della zona di comfort descrive condizioni di sottoriscaldamento, quella al di sopra surriscaldamento.

Clima e comfort: bioclima

Il diagramma di Olgyay

Punto ATemperatura a bulbo secco aria: 75 °F ≅ 23,9 °C

Umidità relativa: 50%

condizione: COMFORT estivo COMFORT invernale (limite)

nessun accorgimento:si rientra nella zona di comfort

A

Punto BTemperatura a bulbo secco aria: 75 °F ≅ 23,9 °C


condizione: non COMFORT

accorgimento necessario:Moto aria: 120 fpm ≅0,61 m/s


B

Punto CTemperatura a bulbo secco aria: 50 °F ≅ 10 °C



accorgimento necessario:radiazione: 250 Btu/(h ft2)

≅ 788 W/m2


C


Punto DTemperatura a bulbo secco aria: 87 °F ≅ 30,6 °C



accorgimenti necessari:vento: 300 fpm ≅ 1,52 m/s

oppure

vapore d’acqua:8 grains/pound ≅ 1,14 g/kgas

D


E

Punto ETemperatura a bulbo secco aria: 95 °F ≅ 35 °C



accorgimenti necessari:vento: 700 fpm ≅ 1,52 m/sin più vapore d’acqua:8 grains/pound ≅ 1,14 g/kgas

Oppure vapore d’acqua:22 grains/pound ≅ 3,14 g/kgas


Al diagramma originale sono state apportate delle modifiche :

al livello di irraggiamento solare (tipico dell’ambiente esterno) si è sostituita la temperatura media radiante Tmr (tipica dell’ambiente interno).

Si sono aggiunti diversi livelli di resistenza del vestiario in grado di riportare in condizioni di comfort

Nel diagramma possono essere evidenziate diverse zone e linee associate a fenomeni specifici:

• colpo di sole• colpo di calore• congelamento delle dita• limite di congelamento• limite di sopravvivenza• limite per certe attività• limiti per vestiario• condizioni di troppo secco• condizioni di troppo

umido



Il clima di Venezia è tendenzialmente umido e il problema più critico è rappresentato dal sottoriscaldamento invernale. Si hanno anche dei periodi con elevata temperatura e umidità (scirocco, afa estiva).

Nel diagramma si possono riportare le condizioni climatiche del luogo considerato mettendo in evidenza le “criticità climatiche” in relazione al comfort.


Minneapolis, Minnesota

CLIMA FRESCO

Si sono riportati gli andamenti mensili, ottenendo delle curve chiuse.

L’inclinazione delle curve è indice dell’ampiezza dell’escusione termica gionaliera(giorno-notte)

La disposizione sul diagramma mostra come le temperature su base annuale siano tendenzialmente basse.

Il periodo di sottoriscaldamento è ampio senza possibilità di avere comfort senza sistemi attivi di controllo ambientale.

Il diagramma di Olgyay: considerazioni

Il Bioclimatic Chart di V. Olgyay è efficace ai fini della progettazione quandola temperatura dell’aria interna agli edifici è prossima a quella esterna: ciòavviene in estate alle medie latitudini e alle basse latitudini per climiumidi, ed è tanto più vero quanto più leggeri sono gli edifici e ventilatinaturalmente con l’apertura dei serramenti.

Nel diagramma di Olgyay non si considera la presenza dell’involucro edilizio

Il diagramma è poco efficace per edifici di grande massa in climi caldi esecchi: qui d’estate la temperatura dell’aria interna è sempre molto diversada quella esterna, anche senza alcun impianto.

In questi casi le indicazioni di Olgyay porterebbero alla sovrastima degliinterventi per garantire le condizioni di comfort.

Il diagramma di GivoniPer ovviare all’inconveniente che può derivare per le ragioni prima esposte dall’utilizzo diretto dei dati climatici esterni nel diagramma, Baruc Givoni nel 1969 ha proposto un nuovo diagramma bioclimatico “Building Bio-Climatic Chart” basandosi sul diagramma psicrometrico ASHRAE e cercando di integrare in modo efficace il fattore edificio.

CI

CE

Il diagramma di Givoni

Il diagramma di Givoni Diagramma di Givoni vs Olgyay

Differenze del diagramma di Givoni rispetto a quello di Olgyay:

• Si considera la presenza dell’edificio• La zona di comfort invernale è molto più vasta di quella estiva (si presuppone

vestiario più pesante e attività più intensa )• Si riportano zone in cui le condizioni di temperatura e umidità esterna possono

garantire il comfort interno utilizzando sistemi passivi (senza il ricorso all’impianto). Si considerano quattro principali sistemi:

a) ventilazione b) elevata massa (inerzia termica)d) raffrescamento evaporativoe) sfruttamento energia solare

• I confini delle zona di comfort sono determinati dalle temperature interne previste nell’edificio senza impianto e bioclimaticamente progettato.

Il diagramma di Brown

Brown, De Kay 2001


Brown, De Kay 2001


Brown, De Kay 2001

Phoenix (Arizona): In questo clima, edifici con grande massa uniti a ventilazione notturna e raffreddamento evaporativo risultano buone strategie per il raffrescamento, mentre per il riscaldamento risulta quasi completamente sufficiente l’irraggiamento solare.


Brown, De Kay 2001

Madison (Wisconsin): In questo clima,

la ventilazione naturale può bastare per

il raffrescamento, ma l’irraggiamento solare non è comunque sufficiente a

coprire le esigenze di riscaldamento (clima troppo freddo).


Brown, De Kay 2001

Charleston (South Carolina): In questo clima, la ventilazione naturale per il raffrescamento, e l’irraggiamento solare per il riscaldamento possono bastare per ricreare le condizioni di comfort.

Innovazione e comfort: l’adattamento

Il contesto e la storia termica di ciascun soggetto può modificarele aspettative e le preferenze climatiche degli occupanti. Si parla diadattamento il quale consiste nel processo di graduale diminuzionedelle reazioni di ciascun soggetto agli stimoli del microclima

Adattamento comportamentale (abbigliamento, postura, attività) complesso dei cambiamenti che una persona mette in atto, consciamente o inconsciamente, allo scopo di modificare i parametri che regolano il bilancio termico del corpo. Può essere personale, tecnologico e culturale.

Adattamento fisiologicol’esposizione prolungata ad un certo tipo di ambiente o di clima, riduce lo stress termico. Tale adattamento può essere genetico o ad acclimatazione. L’adattamento fisiologico ha un’influenza trascurabile sulla percezione del comfort in ambienti moderati.

Adattamento psicologico (aspettative), le esperienze pregresse e le aspettative modificano la percezione degli stimoli sensoriali e la reazione agli stessi.


L’approccio adattivo al comfort si basa sul principio di addattatività:Se avviene un cambiamento che produce discomfort, le personereagiscono in modo da ristabilire il loro stato di comfortQuesti cambiamenti si hanno su periodi di tempo variabili e possonoessere cambiamenti effettuati sulla persona o sull’ambiente.

istantanei: mettersi o togliersi indumenti in risposta o anticipandocambiamenti di condizioninel giorno: risposta a cambiamenti di ambienti durante il giornogiorno per giorno: risposta a cambiamenti meteorologicilungo periodo: risposta ai cambiamenti stagionali guidata dal contestoculturale

Il comfort è visto come il risultato di un’interazione tra edificio eoccupanti in un certo contesto climatico e culturale.Le condizioni di comfort cambiano con i cambiamenti di vestiario e conaltri fattori in funzione della stagione e del climaLo studio di questo sistema di retroazione naturale ha dato dei risultatiriproducibili.

When the air conditionsystem fails you canadapt by adjusting yourCLO value


Occupante Edificio

Il comfort si può raggiungereadattando l’occupante in funzione

delle condizioni dell’edificio

Oppure adattando l’edificio alleesigenze dell’occupante

Tutto questo nel contesto climatico sociale economico e culturale locale


Livelli di comfort a differenti temperature interne. Indagine su impiegati in Pakistan

Nicol, Raja, Allauddin & Jamy (1999) Energy and Buildings 30

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

Mean indoor temperature oC

Prop

ortio

n of

subj

ects

com

forta

ble

Little discomfort


Temperatura di comfort e temperatura media esterna. Indagine su impiegati in Pakistan

Nicol, Raja, Allauddin & Jamy (1999) Energy and Buildings 30

15

20

25

30

35

10 15 20 25 30 35 40Mean temperature experienced

Com

fort

tem

pera

ture

Innovazione e comfort: l’adattamento Innovazione e comfort: l’adattamento

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

5 10 15 20 25 30 35

mean monthly outdoor air temperature (oC)

indo

or o

pera

tive

tem

pera

ture

(o C )

80% acceptability limits

90% acceptability limits

50 F 59 F 68 F 77 F 86 F 95 F

86.0

82.4

78.8

75.2

71.6

68.0

64.4

60.8

STO

CK

OLM

A

MST

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NK

FUR

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GA

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NEW

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TOK

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RM

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TH

Innovazione e comfort: l’adattamento Confronto tra il modello a comfort adattivo e il modello di Fanger

Secondo uno studio europeo del 2009 sviluppato in uffici, la temperatura di comfort,

Tc, varia in funzione della media mobile della temperatura esterna, Trm, secondo la

relazione seguente:

8,1833,0 += rmc TT


Anche in Europa si è considerato l’adattamento: CEN EN15251-2007


• Le norme indicano una temperatura costante all’interno degli edifici per ottenere il comfort. Ricerche in campo in diverse parti del mondo hannomesso in evidenza come la temperatura che viene percepita confortevolevaria con stagione e clima

• Questo significa che il comfort può essere raggiunto con meno energia in un edificio la cui temperatura interna segue la temperatura esterna

• Questo significa anche che un edificio ben progettato può ricadere nelcampo di temperature comfortevoli senza interventi di climatizzazioneattiva

• E’ stato messo a punto un algoritmo per la previsione della temperatura dicomfort in funzione della temperatura esterna. Utilizzando questo algoritmoper controllare il set point dell’impianto di climatizzazione si può arrivare a risparmiare il 25% di energia.

Innovazione e comfort: l’adattamento Innovazione e comfort personalizzato

Sistemi di ventilazione e controllo personalizzato

Innovazione e comfort personalizzato


Innovazione e comfort personalizzato


Innovazione e comfortpersonalizzato

Poltrona riscaldata o raffreddata;

scaldagambe

Brager and De Dear 2006: non ci sono errori ma un adattamento psicologico legato

all’esperienza personale e alle aspettative

Ventilazione naturale e comfort

Diagrammi bioclimatici: il modello di comfort Diagrammi bioclimatici e valutazioni progettuali

Per avere un’idea quantitativa di quanto sia comfortevole un certo clima e diquanto interventi passivi possano far raggiungere condizioni di comfort si possonoutilizzare dei diagrammi valutando a partire dal BBCC in cui si riportano mese permese le percentuali temporali in cui si è in condizioni di comfort.

Diagrammi bioclimatici e valutazioni progettuali Climatic needs

Climatic needs Ventilazione naturale e comfort

Humphrey nel 1978 da una serie di studi sul campo. Ogni punto rappresenta la media di

una specifica indagine. Negli edifici non climatizzati le aspettative sono meno stringenti.

121416182022242628303234

-24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Monthly mean outdoor temperature oC

Neu

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o C

AC buildings, line B Free-running buildings, line A

B

A

Tn = To

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