Comfort ambientale Comfort e infissi Kristian Fabbri Architetto Libero Professionista, docente ed esperto del settore 36 LegnoLegnoNews febbraio 2013
Gli ambienti confinati all interno dei quali si svolgono le attività devono garantire condizioni di comfort adeguate ai compiti svolti. In termini meno prolissi e tecnici, significa che gli ambienti delimitati da un involucro edilizio opaco o trasparente (edifici per abitazione, uffici, scuole, ospedali, etc.), ed ogni edificio all interno del quale sono presenti persone che svolgono attività lavorative o non lavorative, deve garantire le condizioni di comfort affinché tali attività, che includono anche il dormire, mangiare, leggere e scrivere, il giocare, la degenza, etc. si svolgano senza che ci siano fattori che alterino il benessere termico. LegnoLegnoNews febbraio 2013 37
Comfort ambientale Il benessere termico concerne la sensazione di ambiente caldo e di ambiente freddo, il benessere igrometrico, ovvero la sensazione di ambiente secco o (peggio) umido. A questi si aggiunge il corretto illuminamento per non avere zone d ombra o (peggio) fenomeni di abbagliamento, e condizioni di comfort acustico per poter sentire correttamente, per esempio in un aula scolastica, e per non essere disturbati da rumori, continui o puntuali, provenienti da fonti di rumore esterne all ambiente confinato. Il comfort è definito come la condizione nella quale viene espressa soddisfazione in merito all ambiente termico (WHO World Health Organisation) ed il comfort termico come l atteggiamento mentale di soddisfazione per l ambiente dal punto di vista termico (ASHRAE Standard 55) ed entrambi concorrono a garantire la salute che è uno stato di completo benessere fisico, mentale e sociale e non la mera assenza di malattia o infermità (WHO). Lo studio del comfort dal punto di vista scientifico riguarda l interazione tra gli aspetti fisici e quelli fisiologici legati agli scambi energetici del corpo umano attraverso il respiro, la pelle ed il vestiario. I primi approcci allo studio fisico del comfort risalgono agli anni trenta del XX secolo grazie agli studi di A.P. Gagge all interno dei Laboratorio dell istituto John B.Pierce (John B.Pierce Laboratory www.jbpierce.org), imprenditore statunitense che fece fortuna grazie agli impianti di riscaldamento. A.P. Gagge applica i principi della termodinamica agli scambi energetici del corpo umano per valutare quale sia la quantità di energia scambia dovuto al metabolismo, all attività fisica, alla respirazione, al vestiario ed agli scambi per irraggiamento, definendo le modalità per misurare gli scambi termici tra corpo umano e ambienti. Sullo stesso tema negli anni del primo e secondo dopoguerra, sempre negli Stati Uniti, lavorano altri scienziati come F.C. Houghten e CP.Yagloglou che studiano la relazione tra condizione di benessere, temperatura ed umidità, inizialmente per misurare le condizioni ambientali tollerabili per il corpo umano per lo svolgimento di attività militari. Negli anni sessanta e settanta il fisiologo danese P.O.Fanger della Technical University of Denmark e poi professore all International Center for Indoor Environment and Energy (www. iciee.byg.dtu.dk), riprende in mano gli studi degli statunitensi ed attraverso esperimenti e quiz su un campione di persone determina il criterio per misurare il giudizio che una persona esprime nei confronti della caratteristiche microclimatiche di un ambiente. L approccio di Fanger per la misura del comfort prevede di individuare il Voto Medio Previsto che un soggetto andrà ad esprimere a partire da alcuni dati legati all attività svolta, al vestiario ed ai parametri microclimatici di un ambiente. Il Voto Medio Previsto (PMV Predicted Mean Vote) è un giudizio, cioè la risposta che la maggior parte delle persone darebbe alla domanda qual è il tuo giudizio sul comfort in questo ambiente? giudizio che può andare da molto freddo, a neutro, fino a molto caldo. La soluzione ottimale è il giudizio neutro, quando un ambiente viene percepito come neutro vuol dire che non è né troppo caldo né troppo freddo. F1 Parametri che incidono sul comfort termoigrometrico Al PMV corrisponde, sempre per il benessere termo igrometrico, la percentuale di persone insoddisfatte (PPD Predicted Percentage of Dissatisfied), ovvero la percentuale di persone che esprimono un giudizio negativo sull ambiente. Il valore del PPD non è mai inferiore al 5% vuol dire che in una stanza con 20 persone adulte tutte in buona salute con il medesimo vestiario e stessa attività svolta, almeno una si lamenta per le condizioni micro-climatiche, perché sente troppo caldo o troppo freddo. Se si ha presente una qualunque sala d attesa, ufficio o sala riunioni c è sempre qualcuno che si lamenta delle condizioni di comfort. (vedi figura 1) La misura del comfort termo-igrometrico considera parametri che riguardano il corpo umano e l attività svolta, misurata in met (abbreviazione di metabolismo) in W/m 2 di superficie corporea; il vestiario misurato in clo (abbreviazione di cloche vestiti) che esprime la resistenza termica dei vestiti (m 2 K/W) e può andare da 0 clo (nudo) a 4 clo (vestito polare); ed infine i parametri legati all ambiente confinato, alla stanza. Tali parametri microclimatici sono delle grandezze fisiche: la temperatura dell aria, misurate con un termometro, l umidità relativa che indica la percentuale di concentrazione di vapor d acqueo e la sensazione di ambiente secco o umido, la velocità dell aria, che incide, sia in senso positivo sia in senso negativo, sugli scambi termici per convezione tra corpo umano-vestiario e ambiente, ed infine la temperatura media radiante. I parametri fisici dell ambiente indoor dipendono da due fattori: le caratteristiche dell involucro edilizio e la relativa geometria, 38 LegnoLegnoNews febbraio 2013
e la dotazione impiantistica, tipologie di terminali e modalità di scambio termico. La temperatura dell aria dipende dagli scambi termici tra interno ed esterno, e quindi è strettamente legata alla variazione della temperatura esterna ed alle caratteristiche termo fisiche dell involucro edilizio. Il parametro è in questo caso la trasmittanza (W/m 2 K), minore è la capacità di condurre calore dell elemento edilizio, muro, solaio o infisso, minori sono le dispersioni e quindi la possibilità di mantenere la temperatura interna nel range del comfort. La temperatura dell aria dipende dalla presenza di apporti termici interni dovuti allo svolgimento di attività (persone, macchinari), dalla radiazione solare e dalla presenza di impianti di climatizzazione, per riscaldare o raffrescare gli ambienti. Gli impianti di climatizzazione sono progettati in maniera tale da garantire che la temperatura operativa del terminale impiantistico consenta di mantenere costante quella dell aria. Se ci si concentra sugli infissi, ed in particolare le finestre, è evidente che, per quanto riguarda la temperatura dell aria, questi possono incidere sugli scambi termici tra interno ed esterno, in relazione alla loro trasmittanza, ed alla possibilità che hanno di aumentare gli apporti termici gratuiti dovuti all ingresso della radiazione solare nell ambiente, fattore che può essere negativo durante il regime estivo (surriscaldamento). L umidità relativa dipende dalla concentrazione di vapore ed è anch esso determinato dalla presenza di fonti di vapore interne, come la evo traspirazione (respiro) delle persone, attività speciali come il bagno, la cucina, la cottura cibi o altre lavorazioni, e dalla presenza di sistemi impiantistici che controllano la quantità di vapor d acqua come per esempio gli impianti ad aria, gli umidificatori o deumidificatori, ed anche alcuni modelli di recuperatori di calore o impianti di ventilazione meccanica, ma anche i radiatori spesso dotati di una vaschetta di acqua che, grazie all evaporazione, consente di evitare che l aria diventi troppo secca. Gli infissi e le finestre possono giocare un ruolo determinante in senso positivo e/o negativo. L aumento dell umidità relativa può essere realizzata solo aggiungendo del vapor d acqua, ma i principali problemi e sensazioni di discomfort si hanno quando il valore dell umidità relativa è alta (sensazione di freddo umido o caldo umido ). In tali situazione il sistema per ridurre la concentrazione di vapor d acqua può avvenire mediante essicazione (aumento della temperatura dell aria) più spesso si ricorre alla diluizione mediante l immissione di volumi d aria con concentrazioni di umidità relativa minori. La diluizione è un espressione sofisticata per indicare il fatto che è possibile diminuire l umidità dell aria grazie alla ventilazione degli ambienti, il ricambio d aria che si realizza aprendo o chiudendo le finestre. In questo seno la presenza di spifferi ed infiltrazioni garantisce un continuo ricambio e diluizione dell aria, e nel caso di presenza o installazione di infissi a tenuta d aria ben sigillati in particolare in presenza di involucri non performanti, si rischia di ridurre tale diluizione con maggiore concentrazione del vapore. Esemplificando nel caso di sostituzione di infissi in un edificio esistente, con un involucro con basse prestazioni termo fisiche, la messa in opera di LegnoLegnoNews febbraio 2013 39
Comfort ambientale un infisso sigillato, in sostituzione di un infisso con spifferi, altera tale ricambio d aria, e ci si può trovare nella condizione per la quale diminuendo il ricambio d aria aumenta l umidità relativa, la sensazione di discomfort ed inoltre il rischio di formazione di macchie di umidità in prossimità dell infisso stesso. Tali patologie possono essere dovute al mantenimento delle abitudini precedenti alla sostituzione degli infissi, ad esempio se l infisso a tenuta è installato in un ambiente cucina, nel quale vi era l abitudine di tenere chiusa la precedente finestra non a tenuta (con gli spifferi) e quindi l aumento di vapore veniva diluito grazie agli spifferi, una volta sostituita la finestra con una più performante questa non consente la diluizione con gli spifferi pertanto è necessario aprire la finestra per evitare l aumento di umidità e formazione di condensa. In questi casi è bene che chi installa gli infissi valuti in quale contesto va ad operare ed educhi chi abita quell ambiente a ventilare correttamente e periodicamente le stanze. La velocità dell aria dipende unicamente dalla presenza di terminali impiantistici ad aria o venti convettori che muovono l aria, le caratteristiche dell involucro e degli infissi non incidono in maniera rilevante, a meno che non si sia in presenza di infisso con numerosi spifferi tali da creare locali correnti d aria. La temperatura media radiante esprime la temperatura uniforme scambiata per irraggiamento tra il corpo u mano e l involucro edilizio, ipotizzando che questo involucro edilizio sia a temperatura uniforme. (UNI EN ISO 7726: 2002 Ergonomia degli ambienti termici - Strumenti per la misurazione delle grandezze fisiche ) La temperatura media radiante dipende dagli scambi per irraggiamento che si hanno per la sola differenza di temperatura tra corpo umano ed involucro edilizio, e non coincide con la temperatura superficiale media delle parete, ma dipende da questa. Presuppone che gli effetti sull uomo dell ambiente sia generalmente eterogeneo e l ambiente virtuale è definito come omogeneo ed identico. Quando questa ipotesi non è valida si parla di asimmetria radiante, gli scambi termici possono verificarsi a causa di differenti regioni con caratteristiche termine diverse ed il suo effetto sull uomo, e può essere associato usando il concetto di temperatura piana radiante (plane radiant temperature) Il calcolo secondo la UNI EN ISO 7726 (Allegato b punto B.4) è svolto secondo la seguente formula T r è la temperature media radiante, espressa in gradi Kelvin ( K) T n è la temperatura superficiale della superficie n, espressa in gradi Kelvin ( K) F p-n è il fattore di forma tra la persona e la superficie n, da valori tabellati secondo norma (vedi figura 2) La misurazione in sito viene effettuata con il globo termometro (black-globe thermometer - vedi figura F3), che consiste in una sfera, di colore nero e diametro standard, con all interno una sonda temperatura. Il globo termometro, posto all interno di un ambiente, si trova ad una data temperatura e scambia energia per irraggiamento [1] F2 Criteri per determinare il fattore di forma Fp-n tra corpo umano e superfici. Fonte: UNI EN ISO 7726 con le pareti dell ambiente, ciascuna con la propria temperatura (T n ), in funzione della sola differenza di temperatura, calcolato secondo la formula g è il fattore di emissività del globo termometro (a-dimensionale) è la costante di Stefan-Boltzmann, pari a 5,67 * 10-8 W/m 2 K4 T r è la temperatura media radiante, in K T g è la temperatura del globotermometro, in K mentre li scambi termici per convezione, tra globotermometro ed aria dell ambiente, sono dati da: T a è la temperatura dell aria h cg è il fattore di scambio termico per convezione del globotermometro ne consegue che la temperatura media radiante misurata è data da: [2] [3] [4] 40 LegnoLegnoNews febbraio 2013
F3 Globotermometro F2b Criteri per determinare il fattore di forma Fp-n tra corpo umano e superfici. Fonte: UNI EN ISO 7726 La temperatura media radiante determina gli scambi termici per irraggiamento tra il corpo umano e le pareti, considerate a temperatura uniforme, e tale scambio di energia dipende unicamente da tale differenza di temperatura e non dalla temperatura dell aria. Quindi se un ambiente si trova a 20 C di temperatura dell aria, grazie al sistema impiantistico, ma la temperatura media radiante è di 16 C, il corpo umano scambierà energia per irraggiamento verso le pareti fredde con una differenza di temperatura di 4 C maggiore rispetto a quello che scambia con l aria a 20 C. Questo aumenta la sensazione di freddo, perché il corpo umano tenderà a cedere calore per irraggiamento verso le pareti. Lo stesso fenomeno si ha anche nel caso in cui ci si trovi di fronte ad una parete radiante come un forno, ma tali fenomeni sono più comuni negli ambienti lavorativi, piuttosto che in ambito civile. Tale scambio termico per irraggiamento del corpo umano determina la sensazione di freddo e può anche portare alla sensazione di correnti d aria fredde, dovute, non alla presenza di correnti d aria, ma al fatto che il corpo, o una sua parte scambia energia verso una parete fredda, così da sembrare che vi sia una corrente d aria fredda da quella parete (in parte è dovuto anche all aumento dei moti convettivi verso la parete fredda). La temperatura superficiale T n, della formula [1], dipende dalla capacità di condurre calore (trasmittanza) dei singoli componenti dell involucro edilizio, dato che il calore scambiato è dato dalla differenza di temperatura superficiale tra interno ed esterno. Maggiore è la capacità di condurre calore, minore è la differenza di temperatura superficiale interna ed esterna, e quindi se la temperatura esterna diminuisce, lo stesso accade per quella interna. Viceversa maggiore è la resistenza termica al passaggio di calore dell involucro edilizio, maggiore è la differenza tra le due temperatura superficiali, e la temperatura superficiale interna è più vicina a quella dell aria. Lo scambio di calore per conduzione attraverso l involucro edilizio è dato da: Q è il calore scambiato in Watt A è l area dell elemento edilizio U è la trasmittanza in W/m 2 K t p,i è la temperatura superficiale interna t p,e è la temperatura superficiale esterna Quindi la temperatura superficiale interna è data da Ad esempio nel caso di trasmittanza 2,0 W/m 2 K per ogni Watt di calore scambiato per metro quadro di superficie, per la sola conduzione, si ha una temperatura superficiale interna è maggiore di 0,5 C rispetto a quella esterna [5] [6] LegnoLegnoNews febbraio 2013 41
Comfort ambientale se la trasmittanza è di 0,5 W/m 2 K si ha ovvero la temperatura superficiale interna è maggiore di 2 C rispetto a quella esterna Questi esempi sono esemplificativi e non tengono conto degli scambi termici dell interno edificio, degli apporti gratuiti e degli scambio per convezione ed irraggiamento, ma consentono di evidenziare come la trasmittanza di un elemento e la sua superficie, incidono sulla temperatura superficiale interna, e quindi sulla temperatura media radiante. Chiarito tale modalità di scambio termico risulta evidente che, in questo contesto, gli infissi e le finestre hanno un ruolo determinante, dato che incidono sulla temperatura superficiale in relazione alla loro trasmittanza, che è generalmente inferiore a quella delle pareti, anche negli edifici con involucro non performante, ed alla loro superficie, dato che maggiore è l incidenza superficiale delle finestre, in quanto superfici fredde o più fredde dell involucro opaco, minore è il valore della temperatura superficiale e della temperatura media radiante, e questo incide sulla condizione di comfort. Gli edifici ed ambiente con ampie superfici finestrate, rischiano di aumentare la sensazione di discomfort dovuto allo scambio termico radiativo, pertanto occorre adottare soluzioni compensative. In alcuni casi è sufficiente migliorare la trasmittanza del vetro e dell infisso, in altro si possono adottare sistemi di climatizzazione radianti in prossimità delle finestrature, oppure sistemi ad aria come i ventilconvettori o, più sofisticati, i sistemi a lama d aria, che creano uno strato di aria calda che lambisce l infisso. Gli infissi, considerando l involucro di un ambiente come composto dalle pareti laterali, dal pavimento e dal soffitto può diventare un fattore che incide sensibilmente sulla temperatura media radiante nel caso in cui la superficie finestrata verticale è pari, o quasi, a quella di soffitto e pavimento. In genere la geometria degli ambienti è tale per cui la singola finestra non indice in maniera significativa, dato che la temperatura media radiante si riferisce ad un involucro ipotizzato come omogeneo. La presenza di una parete con una temperatura superficiale inferiore alle altre, in particolare a quella prospiciente, determina un altro fattore di discomfort legato allo scambio termico per irraggiamento: l asimmetria radiante. L asimmetria radiante (Δt pr ) può essere causa di discomfort. Le persone sono molto sensibili all asimmetria dovuto a soffitti caldi o muri freddi (finestre) (punto 6.5 della norma UNI EN ISO 7730) La percentuale di insoddisfatti può essere dovuto all asimmetria radiante di soffitti caldi, muri freddi (o di soffitti freddi e muri caldi). La presenza di un infisso o una parete vetrata con una temperatura superficiale inferiore a quella della parete prospiciente e della pareti confinanti, pavimenti e soffitti comporta uno scambio di calore per irraggiamento, verso quel lato, tra corpo umano ed infisso generando una sensazione di discomfort da parte dell occupante. Caratteristico è il caso degli edifici per uffici con grandi pareti vetrate ed ampi ambienti, nei quali la sensazione di asimmetria termica è percepita in base alla localizzazione del tavolo di lavoro. La stessa sensazione di discomfort si ha nel caso di pavimenti freddi, verso i quali il corpo, in particolare i piedi scambiano energia sia per conduzione, in parte mitigato grazie alle calzature, e per irraggiamento, generando la sensazione di discomfort dei piedi freddi. Nel caso degli infissi un ampia parete vetrata con una temperatura superficiale inferiore di 3/4 C o più gradi centigradi rispetto alla temperarla ambiente o alla temperatura media radiante, comporta una sensazione di discomfort per il lato del corpo esposto verso tale parete, come se vi fosse una corrente d aria o uno spiffero. La percentuale di persone insoddisfatte per l asimmetria radiante, si calcola secondo la ISO 7730 con la formula: Δt pr è la differenza di temperatura tra la temperatura piana radiante (tpr - plane radiante temperatura) delle due pareti prospicienti parete 1 e parete 2; t pr è la temperatura piana radiante può essere calcolata in maniera semplificata come T 1, T 2, T n, sono le temperature superficiali media delle pareti F p-n è il fattore di forma tra la superficie di misurazione e la superficie n, da valori tabellati secondo norma La superficie di misurazione è a sonda o la superficie di riferimento per il calcolo che consiste in un disco posizionato nel punto del quale si vuol conoscere l asimmetria radiante. A titolo d esempio, e semplificando, si può esprimere il valore di Δt pr come differenza di temperatura tra la temperatura dell aria e la temperatura superficiale. Nel caso in cui la differenza Δtpr è di 4 C la percentuale di insoddisfatti è pari a 0,53% se la differenza è pari a 8 C (parete vetrata a 12 C temperatura aria 20 C) la percentuale di persone insoddisfatte solo per l asimmetria è del 2% valore che raddoppia al 4 % se la differenza è di 10 C. In questi esempi si tiene conto solo della differenza di temperatura tra le superficie e non della differenza di temperatura radiante calcolate con la formula [8]. In conclusione nel presente articolo si è voluto descrivere quelli che sono gli studi e le principali grandezze che caratterizzano il comfort negli ambienti confinati, sia per evidenziare come e [7] [8] 42 LegnoLegnoNews febbraio 2013
F4 Criteri per determinare il fattore di forma F p-n per la valutazione dell asimmetria radiante. Fonte: UNI EN ISO 7726 soprattutto quanto siano direttamente misurabili, sia per evidenziare le interazione che questi fattori hanno con l elemento più debole dell involucro edilizio, qual è l infisso quale insieme di telaio, serramenti e componente vetrate. Tale debolezza è dovuta a questioni intrinseche, il vetro è un materiale con una buona conduttività, così come il legno, metallo o il PVC utilizzato per il telaio, ed questioni estrinseche che riguardano l aspetto progettuale, l esecuzione e la posa in opera. Per quanto riguarda la temperatura superficiale e l incidenza che questa ha sulla temperatura media radiante occorre agire sulla trasmittanza dell infisso in particolare sull elemento vetrato, con vetrocamere con vetri doppi o tripli. A questo si deve aggiungere che attraverso il vetro passa la radiazione solare pertanto agli scambi termici per irraggiamento tra corpo umano e parete vetrata, dovuti alla differenza di temperatura occorre aggiungere gli scambi termici dovuti alla radiazione solare. L elemento debole si ha quanto, in particolare in inverno, è assente la radiazione solare e quindi gli scambi termici sono legati prevalentemente alla differenza di temperatura, così come durante il periodo notturno durante il quale è possibile aumentare la trasmittanza dell infisso grazie agli elementi schermanti: tapparelle scuri od altri sistemi. Dal punto di vista delle indicazioni progettuali, esecuzione e posa in opera, la percentuale di superficie vetrata di un ambiente costituisce un elemento debole degli scambi energetici tra involucro e corpo umano pertanto ambienti con grandi superfici vetrate dovranno adottare soluzioni per garantire le condizioni di confort, avvalendosi prevalentemente del sistema impiantistico ed eventualmente della radiazione solare, come sopra specificato. In ultimo si vuole concludere questo contributo evidenziando che la relazione tra condizioni di comfort termo-igrometrico ed infissi è un argomento per il quale non è possibile riferirsi a generiche soluzioni conformi, ma che può variare da ambiente ad ambiente e da infisso ad infisso così, come variano il metabolismo, le attività, il vestiario e le risposte dei singoli individui. Il progettista e l installatore hanno il compito di verificare come le proprie scelte possano incidere, in maniera più o meno rilevante, rispetto al giudizio finale, giudizio che tiene conto di più componenti. Arch. Kristian Fabbri Architetto libero professionista, svolge la libera professione nel ambito della progettazione architettonica, energetica e sostenibile:. Collabora con la Regione Emilia-Romagna e Nuova Quasco sui temi della prestazione e certificazione energetica. Professore a contratto dei corsi di Fisica Tecnica Ambientale 2 e Modellazione dei comportamenti energetici presso la Facoltà di Architettura Università di Bologna. www.kristianfabbri.com www.certificazione.ra.it/forum. LegnoLegnoNews febbraio 2013 43