Risparmio energetico degli edifici

Transcript

1 Risparmio energetico degli edifici Comfort termoigrometrico Prof. arch. Fabio Sciurpi Dipartimento di Tecnologia dell Architettura e Design Pierluigi Spadolini Università degli Studi di Firenze

2 La Qualità energetica degli edifici progettazione degli edifici Benessere ambientale dell individuo nello spazio confinato Uso consapevole delle risorse (Aria, Acqua, Suolo, Energia, Materiali) benessere termoigrometrico Riduzione dell inquinamento ambientale benessere acustico e dell impatto sul clima e Riduzione dei benessere visivo consumi energetici benessere respiratorio olfattivo e (IAQ)

3 Benessere ambientale dell individuo Rappresenta la soddisfazione dell'utente nei confronti dell ambiente indoor in cui si trova; è determinato da condizioni fisiologiche e psicologiche che sono funzione dei valori assunti da un insieme di grandezze fisiche (luce, temp., ecc.) relative all ambiente. È condizionato da fattori ambientali esterni (clima, sito), fattori ambientali interni (tipo di edificio e gestione), fattori individuali soggettivi. La sensazione di benessere è diversa da individuo a individuo e dipende dall età, dal sesso, dallo stato fisico e psichico, dal metabolismo, dal periodo della giornata, dagli usi e abitudini, dalla propria sensibilità, ecc.; nella progettazione ci si riferisce ad una fascia rappresentativa (individuo medio sano nel corpo e nella mente). La qualità ambientale in una edificio fa riferimento a classi differenti, seppure fortemente interrelate, di comfort ambientale, e cioè: benessere termoigrometrico benessere respiratorio olfattivo benessere illuminotecnico benessere acustico

4 Benessere termoigrometrico Stato di neutralità termica, in cui il soggetto non sente né caldo né freddo. Benessere respiratorio olfattivo (Qualità dell'aria Interna) Stato di soddisfazione degli occupanti l ambiente confinato nei confronti dell'aria che respirano, in cui non sono presenti inquinanti in concentrazioni ritenute nocive per la salute dell uomo (ASHRAE 62/1999). Benessere illuminotecnico Può essere definito attraverso le condizioni che permettono all occhio di svolgere nel modo migliore i diversi compiti (attività) che è chiamato ad assolvere (la visione generica, il rilievo dei contrasti di luminosità e di colore, la capacità di distinguere oggetti piccoli e lontani, la capacità di osservare oggetti in movimento e di consentire percezioni in tempi brevi). Benessere acustico Benessere acustico Condizione psicofisica in corrispondenza della quale un individuo, in presenza di un campo di pressione sonora (rumore), dichiara di trovarsi un una situazione di benessere, tenuto conto anche della particolare attività che sta svolgendo.

5 L omeotermia del corpo umano Alla base delle condizioni di benessere termico di un individuo sta la necessità di OMEOTERMIA dell organismo umano, cioè la necessità di mantenere costante la temperatura del nucleo del corpo a circa 37 C entro il ristretto margine di mezzo grado. Il corpo umano è costituito da due zone caratterizzate da temperature diverse: - una esterna, la pelle, caratterizzata da una temperatura che può ammettere oscillazioni più ampie entro valori limite (soglie del dolore comprese tra 5-45 C); - una interna, che comprende gli organi vitali, caratterizzata da una temperatura pressoché costante e pari a 37 C in soggetti sani, con un margine di variazione di mezzo grado. Per mantenere costante la temperatura del nucleo del corpo, l organismo è dotato di un sistema di termoregolazione che provvede a mantenere il valore previsto anche quando per le condizioni ambientali o per l attività svolta vi sia tendenza ad allontanarsene.

6 Funzionamento del sistema di controllo I recettori termici (terminazioni nervose) inviano segnali di temperatura all ipotalamo (regione del cervello responsabile della termoregolazione) che li confronta con i valori di riferimento per dare luogo ai relativi segnali di errore I segnali di errore determinano l attivazione dei meccanismi di termoregolazione in grado di mantenere l omeotermia del corpo.

7 Meccanismi di termoregolazione Esistono due tipi di termoregolazione: vasomotoria e comportamentale VASOMOTORIA in ambienti freddi vasocostrizione (capillari) con diminuzione dell afflusso di sangue verso la periferia ed abbassamento della temperatura superficiale in ambienti caldi vasodilatazione con aumento dell afflusso di sangue alla periferia COMPORTAMENTALE in ambienti freddi - brivido (attivazione di gruppi muscolari) - posizioni corporee raccolte in ambienti caldi - sudorazione (ghiandole sudoripare sotto pelle) - riduzione attività fisica

8 IL BENESSERE TERMICO E una condizione psicofisica dell utente che si trova in un ambiente nel quale si annullano le sensazioni di caldo o freddo percepite senza interventi massicci del sistema di termoregolazione del corpo. Le variabili principali che influenzano il benessere termico sono: la temperatura di bulbo secco dell aria t operativa la temperatura media radiante l umidità relativa dell aria la velocità media dell aria l attività fisica svolta la resistenza termica del vestiario indossato attività del soggetto

9 Temperatura di bulbo secco dell aria La temperatura di bulbo secco (t BS ) è misurata per mezzo di un termometro a bulbo secco, in genere al centro del locale ed espressa in C. UR (%) T BU T BS

10 Temperatura media radiante La temperatura media radiante (t MR ) è definita come la temperatura uniforme ideale di una cavità nera in cui un soggetto scambierebbe la stessa quantità di calore per irraggiamento che scambia nell ambiente reale in cui si trova; tale temperatura è rilevata comunemente con un globotermometro ed espressa in C.

11 IL CALCOLO DI t mr Nel caso che le differenze di temperatura tra le superfici risultino contenute entro i 10 C ed essendo le emissività ε delle superfici prossime all unità, si ha : tmr = [t[ 1 F P1 + t 2 F P2 + t 3 F P3 + t n F Pn ] F Pn è il fattore di vista della persona rispetto alla superficie ennesima: tanto maggiore è il fattore di vista tanto maggiore è il peso della temperatura della superficie vista dalla persona

12 La determinazione dei fattori di vista persona- superfici Proprietà di suddivisione F p-1,2,3,4 = F p-1 + F p-2 + F p-3 + F p-4

13 I fattori di vista persona superfici orizzontali Il fattore di vista aumenta all aumentare del rapporto b/c e a/c: Considerando a e b eguali per pavimento e soffitto, il fattore di vista è maggiore per il pavimento rispetto al soffitto.. L incremento è ancor maggiore per persona seduta.

14 I fattori di vista persona superfici verticali Considerando a e c eguali, il fattore di vista è maggiore per la zona superiore di solito occupata dalle finestre. L incremento è ancor maggiore per persona seduta.

15 A parità di rapporti geometrici il peso delle superfici verticali è maggiore di quelle orizzontali Superfici Superfici verticali orizzontali

16 Temperatura media radiante La temperatura media radiante (t MR ) è definita come la temperatura uniforme ideale di una cavità nera in cui un soggetto scambierebbe la stessa quantità di calore per irraggiamento che scambia nell ambiente reale in cui si trova; tale temperatura è rilevata comunemente con un globotermometro ed espressa in C. Temperatura operativa La temperatura operativa (to) è definita come la temperatura uniforme dell aria e delle pareti di un ipotetico ambiente, con il quale il corpo umano scambia la medesima potenza termica per radiazione e convezione scambiata con l ambiente reale; to = (hr t MR + hc t BS )/( hr + hc) per differenze non elevate tra t MR e t BS, può essere determinata mediante la seguente relazione : to = (t BS + t MR )/2

17 Alcune considerazioni A parità di temperatura operativa t o = (t BS + t mr )/2 una temperatura media radiante più elevata consente di mantenere la temperatura dell aria più bassa, con conseguente risparmio energetico. Una temperatura media radiante più elevata è ottenibile con: superfici radianti estese aventi temperature superiori all aria; aria; a parità di temperatura superficiale la temperatura media radiante è più elevata per le superfici che la persona vede meglio ovvero con un più alto fattore angolare; entrambe le situazioni suddette sono ottenibili facilmente con pannelli radianti; a parità di rapporti geometrici,, i pannelli radianti aventi migliori fattori di vista sono nell ordine quelli posti a parete e a pavimento.

18 Umidità relativa L umidità relativa UR o grado igrometrico ϕ, deve essere generalmente compresa tra il 40 60% con tolleranza max. ± 10 %; infatti per valori inferiori al 30% si seccano le mucose mentre per valori superiori al 70% possono verificarsi con maggiore probabilità fenomeni di condensazione su zone fredde con sviluppi di muffe, danneggiamenti degli intonaci e possibili sviluppi di allergie per gli occupanti. Velocità dell aria Velocità relativa dell aria vr (m/s) nei confronti del soggetto

19 La temperatura media radiante si misura con un sensore di temperatura a globo. La sonda di temperatura è inserita al centro di un ampia superficie nera, in modo da risultare sensibile al campo radiante. Tale sensore è fondamentale nelle regolazioni dei sistemi di riscaldamento di tipo radiante T mr -UR T o T r v a Esempi di sonde per la misura del comfort termoigrometrico e degli indici di comfort

20 Attività fisica svolta il metabolismo Il corpo umano è sede di reazioni chimiche che trasformano in energia le sostanze nutritive assimilate. L energia termica prodotta internamente al corpo umano da tali reazioni dà luogo al flusso metabolico, che viene espresso con un unità di misura apposita, il met. Il metabolismo M esprime l energia prodotta dall organismo umano nell unità di tempo che è convertita parzialmente in lavoro meccanico L scambiato con l esterno e principalmente in calore corporeo Q: M = L + Q met (1 met = 58 W/m² metabolismo di un individuo sveglio in condizioni di riposo) il corpo umano è una macchina termica, il cui rendimento ε b nel produrre lavoro L è: ε b = L /M ε b varia generalmente da 0 a circa 0.2 (ad esempio quando si sale le scale) Pertanto nella maggior parte dei casi in ambito residenziale e terziario L è quasi sempre nullo o trascurabile.

21 Tabella dei valori metabolici 1 met è il flusso metabolico di base, qualunque attività porta a valori più alti che l organismo deve smaltire per garantire l omeotermia.

22 La superficie del corpo umano Specifico significa che si riferisce all unità di area superficiale del corpo nudo, valutabile con la relazione di DuBois: ADu = 0,202m 0,425 h 0,725 A eff = 1,80 m2 uomo standard m b = 70 kg h b = 1,70 m Lo smaltimento del flusso metabolico avviene attraverso due meccanismi principali, quello sensibile (per differenza di temperatura) e quello latente (dovuto ad un processo di evaporazione). Il vestiario può ostacolare entrambi i processi dissipativi.

23 Resistenza termica del vestiario I cl La resistenza termica degli indumenti è indicata con I cl L unità di misura è il CLO (1CLO = 0,155 m²k/w); L unità corrisponde alla resistenza termica di un abito europeo di mezza stagione. Per esperienza diretta sappiamo che tale parametro è estremamente importante ai fini del benessere. Tuttavia è difficile definire in modo rigoroso l abbigliamento delle persone. Per questo i valori in questione si trovano tabulati per numerose combinazioni di vestiario e per capi singoli.

24 RESISTENZA TERMICA DI ALCUNE COMBINAZIONI TIPICHE DI CAPI DI ABBIGLIAMENTO

25 RESISTENZA TERMICA DI ALCUNE COMBINAZIONI TIPICHE DI CAPI DI ABBIGLIAMENTO

26 il bilancio termico del corpo umano Il corpo umano è un sistema termodinamico che scambia calore e lavoro con l ambiente esterno. Si ricorda che: Il lavoro è positivo quando è compiuto dal sistema termodinamico sull ambiente circostante L+ Sistema termodinamico Il calore è negativo quando è in uscita dal sistema termodinamico Q-

27 il bilancio termico del corpo umano S [W] = variazione di energia interna del corpo umano nell unità di tempo (potenza acquistata o ceduta) M [W] = metabolismo energetico L [W] = potenza meccanica scambiata tra il corpo e l ambiente f (attività svolta) E sk [W] = potenza termica dispersa per evaporazione attraverso la pelle f (grado igrometrico dell aria, temperatura dell aria, temperatura della pelle, velocità relativa soggetto aria, abbigliamento, percentuale di pelle bagnata dal sudore) R res S = M -L -E sk -R res -C -R -C k [W] = potenza termica dispersa nella respirazione (saturazione dell aria), costituita da una quota di calore latente e una quota di calore sensibile f (attività svolta, grado igrometrico dell aria, temperatura dell aria) C [W] = potenza termica scambiata per convezione f (temperatura della superficie esterna del corpo vestito, temperatura dell aria, velocità relativa soggetto-aria, abbigliamento) R [W] = potenza termica scambiata per irraggiamento f (temperatura della superficie esterna del corpo vestito, temperatura media radiante, posizione della persona, abbigliamento) C k [W] = potenza termica scambiata per conduzione

28 Le condizioni del benessere quando S > 0 la temperatura del corpo tende ad aumentare quando S < 0 la temperatura del corpo tende a decrescere quando S = 0 siamo in presenza di equilibrio termico e quindi di potenziale benessere, condizione necessaria ma non sufficiente a causa dei meccanismi di autoregolazione della temperatura corporea.

29 INDICE GLOBALE DI BENESSERE TERMICO PMV (La teoria del Prof.Fanger- UNI-EN-ISO 7730/1996B) La prima condizione affinché un individuo si trovi in condizioni di benessere èche : 1) S = 0 funzione di otto variabili f (M, I cl, t BS, v r, t mr, p v, t sk, E sw ) Fanger, mediante lo studio su circa 1300 individui, ha individuato altre due condizioni sufficienti a definire condizioni di benessere espresse dalle seguenti equazioni : 2) E sw = 0.42 [M ] (W/m²) potenza dispersa per sudorazione 3) t sk = M ( C) temperatura della pelle In pratica le possibili condizioni di benessere sono le combinazioni delle otto variabili che soddisfano contemporaneamente le tre suddette equazioni.

30 INDICE GLOBALE DI BENESSERE TERMICO PMV (UNI-EN EN-ISO 7730/1996B) La sensazione termica è espressa con un voto numerico in una scala di 7 valori L indice PMV (Predicted Mean Vote) è una funzione matematica dei parametri descritti che esprime il valore medio dei voti di un campione significativo di persone su una scala di sensazioni termiche a 7 punti che varia da 3 a +3 il PMV riportato nella scala psico-fisica suddetta esprime pertanto la sensazione termica che verrà avvertita in quel dato ambiente da un individuo dotato di media sensibilità. Il limite di accettabilità è compreso tra 0,5 < PMV < 0,5

31 Quanto esposto consente di attribuire un voto a qualsiasi condizione ambientale. Si tratta ora di stabilire quale votazione sia considerata sufficiente. A questo fine viene introdotta un ultima grandezza: la percentuale prevista di insoddisfatti (PPD - Predicted Percentage of Dissatisfied). Viene definito convenzionalmente insoddisfatto un soggetto che dia una votazione all ambiente maggiore o uguale a +2 o minore o eguale a -2, corrispondenti rispettivamente alle sensazioni di caldo e di freddo. Il responso è di carattere statistico, per cui anche in condizioni di neutralità si ha mediamente una certa percentuale di insoddisfatti o verso il caldo (2,5%) o verso il freddo (2,5%). Questo significa che nelle migliori condizioni il 5% dei soggetti risulta insoddisfatto. Questa percentuale aumenta quando ci si allontani da condizioni di neutralità.

32 PPD e PMV PPD Massimo PMV Le normative stabiliscono i limiti di accettabilità sulla base di questi andamenti. Ad esempio Fanger indica un PPD max dello 7,5% che suggerisce un PMV fra +/-0,35. La ISO 7730 prescrive un PMV fra +/-0,5 che significa un PPD max del 10%. L ASHRAE 55 accetta un 20% per il PPD cioè un PMV fra +/-0,85.

33 . CAMPO DI VALIDITÀ DI PMV L indice PMV è stato elaborato per situazioni stazionarie ed ambienti termicamente moderati (quindi con valori compresi tra 2 e + 2); può essere utilizzato anche per condizioni che comportano variazioni nel tempo dei parametri purchè abbastanza contenute e si usino valori medi; la metodologia esposta è valida nel seguente campo di valori : M = met I cl = clo t bs = C t mr = C v r p v = m/s = Pa I valori di PMV si trovano peraltro tabulati per le situazioni più comuni

34 CONDIZIONI DI BENESSERE INVERNALI

35 CONDIZIONI DI BENESSERE ESTIVE

36 Condizioni di benessere invernali PPD 20% per t 0 = t BS M < 1,2 met e v r < 0,15 m/s I cl = 0,9 clo

37 Condizioni di benessere estive PPD 20% per t 0 =t BS M < 1,2 met e v r < 0,15 m/s I cl = 0,5 clo

38 COMFORT TERMICO: NORMATIVA DI RIFERIMENTO

39 Discomfort termico locale a)asimmetria della temperatura piana radiante in verticale ed in orizzontale b)correnti d aria a) presenza di ampie superfici particolarmente fredde o calde ( ad es. pareti vetrate o soffitti radianti, pavimenti non isolati su porticati ) che possono causare scambi termici radiativi anomali tra alcune parti del corpo umano e le superfici suddette b) presenza di correnti d aria fredda (spifferi) che su alcune zone del corpo, ad esempio la nuca, possono risultare particolarmente fastidiose

40 Discomfort termico locale a)temperatura superficiale del pavimento b)gradiente verticale di temperatura dell aria 19 C 29 C 3 C a) Temperatura superficiale del pavimento b) gradienti di temperatura all interno dello stesso locale

41 BENESSERE TERMOIGROMETRICO - discomfort - Nella UNI EN ISO 7730 e nello Standard ASHARAE 55 sono anche riportati alcuni indici di disagio locale particolarmente interessanti, quali: temperatura operativa, gradiente verticale di temperatura, asimmetria della temperatura piana radiante, temperatura del pavimento e velocità dell aria

42 Relazione tra l asimmetria della temperatura radiante Δt pr e PPI per diverse superfici calde e fredde Massimo > 26

43 Relazione tra la temperatura del pavimento e PPI Massimo 18 28

44 Relazione tra la differenza temperatura testa-caviglie e PPI Massim o 3,5

45 Condizioni limite della differenza di temperatura soffitto-aria in funzione dell altezza H del locale