Comfort termoigrometrico - La Bottega dell'Energia

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Comfort termoigrometrico

Per "comfort termoigrometrico" si intende una condizione di benessere dell’abitante rispetto alle condizioni termoigrometriche (appunto) dell’ambiente domestico.

Tale condizione è quella tale per cui un individuo si ritiene soddisfatto del microclima presente perché non avverte sensazione né di caldo, né di freddo, né di eccessiva umidità dell’aria, trovandosi quindi in una condizione di neutralità termoigrometrica rispetto all’ambiente circostante.

Questa definizione risulta facilmente comprensibile; il difficile è quantificarla scientificamente e/o tecnicamente (ossia attraverso l’utilizzo di strumentazione), in quanto essa risulta dipendere da condizioni soggettive.

Alcune definizioni

Pressione parziale del vapor d’acqua (Pvap)
È la pressione, espressa in [Pa] (leggasi: "Pascal"), che presenta il vapore dell’aria umida quando questa raggiunge l’equilibrio fra la fase liquida e quella gassosa.

Umidità assoluta (X)
Esprime la quantità di vapor d’acqua, misurato in grammi, presente in 1 kg di aria umida a pressione e temperatura ambiente costanti. Viene calcolata mediante la seguente formula:



dove Patm = 101.325 Pa è la pressione atmosferica al suolo. A volte viene espressa in [kg/kg] anziché in [g/kg].

Pressione di saturazione (Psat)
Rappresenta, a temperatura ambiente T costante, la pressione per la quale l’aria diviene completamente satura di vapor d’acqua. È esprimibile con la seguente formula, valida per temperature T ≥ 0°C:



Umidità relativa)
Rappresenta il contenuto percentuale di vapor d’acqua nell’aria umida, calcolato rispetto al massimo contenuto possibile a pari temperatura T. Si esprime come:



ed alcune volte è anche indicata con il simbolo "UR" o "UR%".

Temperatura di rugiada (Tr)
È il valore di temperatura ambiente per il quale, a pressione atmosferica costante, l’aria diviene satura di vapor d’acqua. Ciò significa che, in tale condizione, l’aria raggiunge la condizione φ = 100%. Si calcola come:



Se la temperatura dell’ambiente scende al di sotto della temperatura di rugiada, allora il vapor d’acqua contenuto nell’aria inizia a condensare.

Diagramma psicrometrico (o di Carrier) dell’aria umida
Si tratta di un diagramma molto utile per dare una rappresentazione grafica immediata delle principali caratteristiche fisiche dell’aria umida, ossia la temperatura T, l’umidità assoluta X e l’umidità relativa φ. Lo riportiamo qui sotto, nella sua versione semplificata:



Temperatura media radiante (Tmr)
È la temperatura media delle superfici che racchiudono un determinato ambiente. In altri termini, è la temperatura media assunta da tutti quegli elementi che ci circondano in un determinato ambiente e che si trovano ad una temperatura diversa da quella del nostro corpo.

Temperatura operativa (To)
Formalmente è definita come quella temperatura uniforme che si ha all’interno di una cavità radiante in cui un occupante scambierebbe la stessa quantità di energia termica radiante e convettiva scambiata nelle effettive condizioni di ambiente non uniforme.


Nella pratica, la temperatura operativa può essere calcolata con la seguente formula:




in cui T è la temperatura ambiente.

Indici di comfort termoigrometrico

La Norma UNI EN 15251:2008 tratta gli indici di comfort termoigrometrico e le possibili metodologie per il loro calcolo. In particolare, basa la scelta del metodo sulla tipologia dei sistemi tecnologici utilizzati per raggiungere il livello di comfort termoigrometrico desiderato.

Modello di Fanger
Descritto dalla Norma UNI EN ISO 7730:2006, viene utilizzato per quei casi in cui è presente un sistema di condizionamento o raffrescamento di tipo attivo (meccanico, termoelettrico, ecc.).

Con tale modellizzazione si considera un ambiente perfettamente sigillato verso l’esterno e mantenuto in condizioni di comfort. Gli individui presenti all’interno dell’ambiente vengono rivisti come soggetti che scambiano passivamente energia termica (calore) con l’ambiente stesso.

Il metodo di valutazione del comfort è basato su due indici quantitativi. Il primo è l’indice PVM (Predicted Mean Vote, ossia "Valutazione media prevista"). Tale indice è funzione di sei parametri:


I primi quattro parametri sono rilevabili mediante l’utilizzo di apposita strumentazione, mentre gli ultimi due sono da stabilire, sulla base di alcune tabelle riportate nella stessa Normativa, a seconda delle abitudini degli occupanti. La Norma propone una scala di valori per l’indice PVM compresa fra +3 e -3 ed a ogni valore (intero) associa una particolare valutazione della condizione di comfort (+3 corrisponde ad esempio a "molto caldo", 0 a "Sensazione neutra", -3 a "molto freddo").

L’indice PVM rappresenta di fatto la valutazione media fornita, per lo stesso ambiente, da un numeroso gruppo di soggetti. Poiché una valutazione del genere risulterebbe di fatto rigorosamente inattuabile, viene definito un secondo indice, denominato PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied, cioè "Percentuale prevista di insoddisfatti"). Si tratta di un indice statistico, mediante il quale è possibile prevedere, per ciascun valore di PVM, la percentuale di soggetti che, nel medesimo ambiente e con le stesse condizioni termoigrometriche, esprimerebbe insoddisfazione nei riguardi di tali condizioni (ossia dichiarerebbe di avvertire o meno una condizione di comfort termoigrometrico).

Il problema del metodo di Fanger è che richiede quattro misure su periodi più o meno lunghi di tempo e che soffre di un livello non indifferente di soggettività legato alla scelta dei parametri (e dei sottoparametri) previsti dalla Norma che esprimono l’isolamento termico del vestiario ed il livello di attività metabolica.

Dipendendo inoltre questi ultimi da condizioni che possono variare nel tempo (numero di abitanti, tipologia di vestiario, livello di attività fisica, ecc.) e non essendo definite delle condizioni standard di riferimento, i risultati ottenuti con il metodo di Fanger spesso non risultano probatori e non consentono un efficace confronto fra ambienti differenti o, per lo stesso ambiente, fra soluzioni tecnologiche differenti atte a garantire le corrette condizioni di comfort termoigrometrico.

Modello adattativo
Può essere utilizzato quando il comfort termoigrometrico estivo è garantito dall’utilizzo di metodi tecnologici di tipo passivo.

A differenza del modello di Fanger, quello adattativo considera gli occupanti come soggetti non più passivi, ma che interagiscono attivamente con l’ambiente circostante.

La Norma UNI EN 15251:2008 propone una formula per la correlazione fra la temperatura media dell’aria esterna all’edificio e la temperatura operativa ottimale media giornaliera interna. Fissato un periodo di tempo per l’analisi, il modello consente di calcolare tale temperatura ed una fascia di tolleranza ad essa associata. Visualizzando le rispettive curve è possibile verificare se i valori di temperatura operativa misurati ricadono all’interno della tolleranza o meno e quantificare per quante ore sono ricaduti al suo esterno (ossia per quante ore gli abitanti hanno avvertito una sensazione di discomfort termoigrometrico).

La determinazione della fascia di tolleranza è di tipo standard ed è basata sulla tipologia di edificio. Ecco un esempio di uno studio realizzato dal 1 Giugno al 30 Settembre per un’abitazione situata in Provincia di Como:



Il modello adattativo risulta più obiettivo rispetto a quello di Fanger in quanto non è affetto da variabili soggettive: il consulente energetico non deve dunque effettuare particolari ipotesi di calcolo per poter sviluppare l’algoritmo.

Di contro, esso risulta valido più che altro nelle stagioni primaverili ed estive. Inoltre richiede la misura della temperatura operativa, operazione che può avvenire soltanto per via indiretta e comunque molto soggetta ad errori e non molto semplice da attuare. In effetti, il rilievo di questo parametro richiede preventivamente:

  • La misura della temperatura ambiente

  • La misura della temperatura media radiante, che a sua volta comporta la misura delle temperature superficiali di tutte le componenti costituenti l’involucro (ad esempio mediante appositi termometri a contatto multicanale)

  • La misura della velocità dell’aria


Da notare che tutte le misure debbono essere realizzate con strumenti dotati di datalogger, atti a memorizzare i rilievi per periodi anche lunghi di tempo.

Inoltre il calcolo della temperatura operativa richiede anche il calcolo di altri parametri di influenza, detti "fattori di vista", operazione per nulla semplice e che introduce ulteriori possibili errori.

Metodo di Givoni
Il metodo si basa sul cosiddetto "diagramma di Givoni". Si tratta di una rappresentazione inizialmente elaborata nel 1978 da Baruch Givoni e successivamente perfezionata, con anche alcune modifiche risalenti a pochissimi anni fa.

In esso vengono definite le condizioni di comfort termoigrometrico di un ambiente interno direttamente sul diagramma psicometrico dell’aria umida; tali condizioni sono state definite in modo semi-empirico, basandosi sui feed-back forniti da una numerosissima popolazione, omogenea dal punto di vista culturale e da quello delle aspettative bioclimatiche. Il diagramma attualmente in uso è una sintesi, peraltro non semplice, ottenuta a partire da lavori condotti negli Stati Uniti, in Europa ed in Israele.

Normalmente il diagramma viene utilizzato durante la fase di progettazione di un edificio; lo stesso può però anche essere impiegato per la valutazione del comfort termoigrometrico di un edificio esistente. In tal caso in esso vengono riportate tutte le coppie di valori temperatura-umidità relativa misurate per l’ambiente sotto osservazione e viene verificato se i punti così identificati ricadono o meno nella zona di comfort (invernale o estivo a seconda della stagione durante la quale è stata effettuata la prova).

Nella figura sottostante riportiamo il diagramma di Givoni nella sua forma completa ed attuale; le zone di comfort termico estivo (CE) ed invernale (CH) sono evidenziate in verde. Sono anche evidenziate altre zone nonché le strategie in linea di massima adottabili per risolvere eventuali problemi di discomfort termoigrometrico.



I vantaggi che tale metodo presenta rispetto ai precedenti (modelli di Finger ed adattativo) sono l’assoluta obiettività (assenza di ipotesi soggettive), la possibilità di essere applicato in qualsiasi stagione e la possibilità di stabilire facilmente delle strategie di riqualificazione per migliorare il comfort termoigrometrico.

Inoltre presenta il vantaggio di richiedere soltanto due misure per poter essere attuato, ossia quella di temperatura ambiente ed umidità relativa dell’aria. Ciò può essere fatto mediante un termoigrometro con datalogger (almeno uno per ogni ambiente studiato), di cui riportiamo qui sotto un esempio:


Esempio di valutazione

Per mostrare come viene applicato il metodo di Givoni, analizziamo un esempio reale, condotto per un’abitazione ad uso civile situata in Provincia di Como. L’analisi è stata effettuata rilevando i valori della temperatura ambiente e dell’umidità relativa dell’aria. Le misure sono state acquisite ogni 10 minuti per 30 giorni consecutivi nel periodo primaverile (da fine Febbraio a fine Marzo).

Ecco i dati rilevati:



Si è innanzitutto proceduto ad un confronto di tali dati con i limiti imposti dalla L. 10/1991, dalla DGR VIII/8745 della Regione Lombardia e dal DLgs 192/2005. Per ottenere un confronto più semplice ed immediato, si è scelto di ricondurre le due grandezze monitorate ad un unico parametro, ossia l’umidità assoluta dell’aria. Riportiamo qui sotto i diagrammi utili a tali confronti:



Si nota molto bene come molti dei punti misurati non rispettino il limite imposto dalla L. 10/1991, che corrisponde ad una temperatura ambiente di 20 °C ed un’umidità relativa del 50%. Si osserva inoltre come, al contrario, il limite imposto dalla normativa attuale (temperatura di 20 °C ed umidità relativa del 65%) risulti molto più rispettato.

Ciò si spiega col fatto che quest’ultimo risulta di molto maggiore rispetto a quello imposto dalla L. 10/1991. Una verifica formale di tale tipo, pur essendo strettamente necessaria, è dunque per nulla adeguata a stabilire se le condizioni termoigrometriche dell’abitazione studiata possano essere definite accettabili dagli abitanti.

Per ovviare a tale problema si è quindi scelto di affidarsi all’analisi supportata dal diagramma bioclimatico di Givoni, che riportiamo qui di seguito:



Si nota come la maggior parte dei valori misurati rientri all’interno della zona caratterizzante l’accettabilità del comfort termoigrometrico durante la stagione invernale. Ciò significa che durante tale stagione l’abitazione presenta condizioni bioclimatiche adatte al soggiorno, anche continuativo, delle persone e degli animali domestici. Ossia, in altri termini, che durante questa stagione sono verificate le condizioni di comfort termoigrometrico.

Fanno eccezione circa il 12% delle condizioni rilevate, le quali risultano, anche se non di molto, al di fuori del limite della zona di comfort invernale e tutte caratterizzate da temperature attorno ai 20 °C ma umidità relativa dell’aria insufficiente (inferiore a 0,004 kg/kg, ossia circa il 28% a 20 °C).

Questa osservazione ha consentito di porre in evidenza una problematica e risalirne così alla causa, ossia il malfunzionamento dell’impianto di VMC installato presso l’abitazione. Essendo questa certificata in classe A ed essendo stata realizzata in modo da minimizzare le perdite per ventilazione dovute a fenomeni naturali (infiltrazioni, ecc.), il malfunzionamento di tale impianto ha causato delle situazioni anomale come quella rilevata strumentalmente; è stato quindi sufficiente ripristinare il corretto funzionamento dell’impianto di VMC per ripristinare anche il corretto comfort termoigrometrico.

 
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