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Le relazioni clima-comfort:
strumenti per l’analisi bioclimatica
Fabio Peron
Francesca Cappelletti
Materiale didattico per il corso di
Elementi di Tecnica del Controllo Ambientale:
Introduzione alla Sostenibilità
Laboratorio Integrato 1°Anno ClasArch
Anno Accademico 2009-2010
Università IUAV di Venezia
la proprietà letteraria e i diritti sono riservati agli autori
il presente materiale può essere riprodotto amichevolmente
per scopi didattici e per uso personale
l’uso a scopo di lucro anche solo di parte di esso sarà perseguito a norma di legge
0. Introduzione
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1. Il Bio-climatic Chart di V. Olgyay
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2. Il Building Bio-Climatic Chart di B. Givoni
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3. Sviluppi più recenti riguardo i diagrammi bioclimatici
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4. Ulteriori considerazioni sul comfort
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5. Un esempio di Utilizzo dei diagrammi bioclimatici
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6. Ulteriori strumenti di analisi
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7. L’analisi delle condizioni di vento
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8. Bibliografia
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1. INTRODUZIONE
L’analisi delle condizioni climatiche del luogo scelto per la realizzazione di un edificio costituisce il
punto di partenza per l’individuazione di coerenti principi di progettazione sia su scala
architettonica che urbana in modo da massimizzare il comfort per le persone e minimizzare
l’utilizzo dell’energia per riscaldare e raffrescare gli ambienti.
L’analisi e la presentazione dei dati climatici può essere resa in maniera molto interessante
utilizzando grafici e diagrammi. Familiari risultano i grafici degli andamenti giornalieri, mensili e
annuali della temperatura, dell’umidità, della velocità del vento, della copertura nuvolosa e così
via. Un po’ meno famigliari sono invece i cosidetti diagrammi bioclimatici. Tali diagrammi facilitano
l’analisi delle caratteristiche climatiche di un certo luogo dal punto di vista del progettista
mettendole in relazione alle condizioni di comfort per l’uomo.
In generale i diagrammi bioclimatici consistono in un diagramma psicrometrico in cui sono
evidenziate le combinazioni di valori accettabili per il comfort di temperatura, umidità, velocità
dell’aria, radiazione. Il confronto tra tale zona così determinata nel diagramma e le condizioni
ambientali locali costituisce la base su cui valutare le “criticità” del clima esterno e le possibilità di
intervento per migliorare il livello di comfort.
2. IL BIO-CLIMATIC CHART DI V. OLGYAY
Il primo diagramma bioclimatico si deve a Victor Olgyay. Si tratta del “Bio-climatic Chart” messo a
punto nel 1963 riportato in figura 1 nella sua versione originale (Olgyay, 1963). Lungo gli assi,
rispettivamente in ordinata e ascissa, sono riportate la temperatura e l'umidità relativa dell’aria. Al
centro del diagramma è individuata la zona di benessere relativa ad una persona vestita in modo
leggero (Clo = 0,8) e in attività sedentaria (1 met). Per condizioni tipicamente estive essa è
delimitata da una linea corrispondete alla isoterma 21°C verso il basso e il limite superiore invece
dipende dall’umidità. Per umidità relativa sotto al 50% il limite superiore corrisponde all’isoterma
27.8°C oltre tale valore diminuisce gradualmente fino ad intersecare il limite inferiore intorno al
90% di umidità relativa (ad alta percentuale di umidità la temperatura sopportabile è inferiore). La
zona di benessere invernale è tratteggiata e giace leggermente più in basso di quella estiva.
La parte di diagramma al di sotto della zona di comfort corrisponde a condizioni di
sottoriscaldamento (bassa temperatura). In questa zona Olgyay segnala attraverso il diagramma che
il livello di comfort può essere mantenuto a condizione che vi sia una certa quantità di radiazione
solare. Sono infatti indicati sul diagramma i livelli di radiazione solare richiesti per le diverse coppie
di valori temperatura-umidità. Si noti che oltre alle curve di radiazione è riportata anche una scala
graduata con i valori di temperatura media radiante (TMR): tale indicazione è utile qualora si voglia
fare delle considerazioni in assenza di radiazione solare. La condizione di comfort infatti può
persistere a condizione che sia garantita una certa temperatura media radiante che dovrà esser
maggiore quanto minore è la temperatura dell’aria. Al di sopra dei 21°C si ha la situazione di
radiazione zero, cioè in altre parole la richiesta d'ombra (tranne che per i fanatici della tintarella).
Anche sopra alla zona di comfort (zona di surriscaldamento come si vedrà di seguito) vengono
indicati i valori di TMR consigliati per mantenere il benessere: si noterà che in questo caso tali
valori diminuiscono al crescere della temperatura dell’aria.
La parte di diagramma sopra la zona di comfort viene definita di surriscaldamento. Per estendere
durante il periodo estivo la zona di comfort verso valori della temperatura e umidità relativa
dell’aria più elevati si può agire aumentando la velocità dell’aria (ventilazione naturale o
artificiale). Nel diagramma sono riportate le curve che indicano nelle diverse condizioni i valori di
velocità necessari per ristabilire condizioni di comfort. Una seconda strategia per ristabilire il
comfort nella zona di surriscaldamento è costituita dall’evaporazione controllata di acqua. Nel
grafico sono inoltre riportati i valori del rapporto massa d’acqua su massa d’aria necessari in termini
di isolinee. Si assume che il calore latente sia completamente sottratto all’aria. Nella estrema parte
superiore è indicato il limite di eventuali colpi di sole o di calore, mentre nella parte inferiore è
indicata la linea di congelamento.
Sul diagramma si possono riportare per una data località i valori di temperatura e umidità relativa
ottenendo diagnosi immediata della presenza e della durata di condizioni di surriscaldamento o di
sottoriscaldamento. Il valore di questo grafico sta proprio nell'evidenza della rappresentazione di
tutti i parametri climatici in rapporto al benessere umano.
Figura 1. Diagramma bioclimatico di Olgyay (Olgyay 1963).
3. IL BUILDING BIO-CLIMATIC CHART DI B. GIVONI
Si possono fare alcuni commenti sull’utilizzo del digramma proposto da Olgyay. L’efficacia di tale
diagramma ai fini della progettazione si basa sulla considerazione che le temperature interne agli
edifici siano molto prossime a quelle esterne. Tale fatto si riscontra prevalentemente in estate alle
medie latitudini e alle basse latitudini per climi caldo-umidi, è poi tanto più vero quanto più leggere
sono le strutture e quanto più gli edifici sono ventilati naturalmente attraverso l’apertura delle
finestre. Per edifici con grande massa, costruiti in regioni calde e secche, durante il periodo estivo
la temperatura interna è, invece, molto differente da quella esterna anche senza funzionamento
dell’impianto. Risulta chiaro, allora, che confondere i dati climatici esterni con le condizioni
ambientali interne può portare, in alcuni contesti climatici e per alcune tipologie costruttive, a
sovrastimare le necessità di intervento per garantire condizioni di comfort.
Sulla base di queste osservazioni Baruc Givoni nel 1969 propose un nuovo diagramma chiamato
“Building Bio-Climatic Chart” BBCC (Givoni 1969). Da un punto di vista grafico il BBCC differisce da
quello di Olgyay poiché utilizza come base un diagramma psicrometrico ASHRAE, ed inoltre fa
riferimento alla temperatura dell’aria all’interno degli edifici (prevista sulla base dell’esperienza o
di calcoli) invece che alla temperatura dell’aria esterna. In realtà si può dire meglio che pur
considerando i valori ambientali esterni tiene conto della presenza dell’edificio e della possibilità di
mitigare gli effetti climatici con tecniche passive.
Anche nel diagramma BBCC sono individuate due zone che descrivono le condizioni di comfort
termico interno. Come si vede la zona di comfort invernale (CI) si estende a temperature inferiori
rispetto a quella estiva (CE), ad essa infatti corrisponde un livello di attività maggiore o un vestiario
più pesante. Nel diagramma sono poi indicati i limiti di temperatura e umidità esterni per i quali
l’applicazione di alcuni sistemi passivi di controllo del microclima può garantire condizioni di
comfort estivo in climi caldi senza ricorrere a impianti di climatizzazione. I sistemi considerati
efficaci, come riportato in figura 2, sono: ventilazione diurna, elevata massa con e senza
ventilazione notturna, raffrescamento evaporativo diretto, raffrescamento evaporativo indiretto
con roof-pond.
CE
CI
Figura 2. Diagramma bioclimatico di Givoni.
I confini delle diverse zone di comfort e le differenti strategie per assicurare le condizioni di
comfort interno si basano sulle temperature interne previste nell’edificio privo di sistema di
climatizzazione e correttamente progettato per il contesto climatico in cui è costruito.
La ventilazione diurna è la più semplice strategia di raffrescamento naturale che consente di
aumentare i limiti di temperatura e umidità considerati accettabili con una velocità dell’aria
interna pari a circa 2 m/s. Una seconda strategia consiste nel favorire la ventilazione notturna. Tale
espediente va considerato qualora l’edificio abbia un’elevata massa: in questo modo la struttura
dell’edificio viene raffrescata per convezione durante la notte e la temperatura interna media
giornaliera si mantiene sotto la media delle temperature esterne. Tale sistema è più utile in climi
caldo-secchi dove la temperatura esterna massima non supera i 36°C. Qualora la temperatura
esterna massima sia superiore, comunque la ventilazione notturna riduce le ore in cui si renda
necessario l’utilizzo dell’impianto di raffreddamento. Quando anche la ventilazione notturna non è
sufficiente si può ricorrere al raffrescamento evaporativo che sfrutta l’assorbimento di calore che
avviene durante il processo di evaporazione di una massa d’acqua. In alcuni casi grandi masse d’aria
esterna vengono introdotte nell’edificio dopo essere state raffreddate e umidificate per mezzo di
sistemi meccanici o passivi. Questo sistema ha, d’altra parte, dei limiti nei livelli di umidità
dell’aria raffreddata e della velocità. Un altro sistema di raffreddamento evaporativo consiste
nell’utilizzare un bacino d’acqua sopra un tetto non isolato. In questo modo la temperatura
dell’acqua si mantiene quasi uguale alla temperatura a bulbo bagnato dell’aria esterna (ricordate
che la temperatura a bulbo bagnato è inferiore alla temperatura a bulbo secco) mantenendo più
fresco il soffitto che diventa un sistema di raffreddamento di tipo radiante e convettivo rispetto
all’ambiente interno sottostante. Naturalmente il tetto d’inverno dovrebbe essere isolato. In generale
nei diversi grafici le zone di comfort e le zone di correzione definite esternamente a quelle di comfort
non devono essere considerate in modo rigido.
4. SVILUPPI RECENTI RIGUARDO I DIAGRAMMI BIOCLIMATICI
In questi ultimi dieci anni si è avuto specie negli Stati Uniti un nuovo impulso all’analisi bioclimatica
applicata agli edifici. Tra i principali protagonisti si può sicuramente indicare W. Brown il quale ha
rivisitato il diagramma di Olgyay implementandovi le considerazioni fatte da Givoni sul diagramma
ASHRAE. In figura 3 è riportato il diagramma. Come si vede consiste in una versione aggiornata di
quello di Olgyay sul quale invece delle generiche azioni ambientali necessarie a riportare condizioni
di comfort sono riportate le diverse tecniche di riscaldamento solare e di raffrescamento passivo. Le
indicazioni sono del tutto generali e si basano su specifiche assunzioni riguardo al tipo di involucro e
ai carichi termici; si riferiscono a edifici residenziali e con limitati carichi interni, buon livello di
isolamento e ivolucro mediamente vetrato.
Figura 3. Diagramma bioclimatico proposto da Brown (Brown 2001).
Sono considerate cinque strategie di raffrescamento: 1)ventilazione naturale, legata ai soli moti
dell’aria per azione del vento o di riscaldamenti differenziali, 2) elevata massa termica , legata alle
caratteristiche dei materiali utilizzati nella costruzione, permette di immagazzinare il calore
durante il giorno e reirradiarlo durante la notte, 3) massa termica combinata con la ventilazione,
con dissipazione notturna del calore immagazzinato nel periodo diurno grazie all’azione dell’aria, 4)
raffrescamento evaporativo diretto, con aumento dell’umidità e abbassamento della temperatura
direttamente negli spazi interni, 5) raffrescamento evaporativo indiretto, con il raffreddamento
dell’involucro dell’edificio per evaporazione d’acqua.
5. ALCUNE CONSIDERAZIONI SUL COMFORT
L’acclimatazione ad un clima caldo ha un ruolo importante nel determinare la suscettibilità agli
effetti fisiologici del calore e al discomfort sensoriale in ambienti caldi. In altre parole le persone
da poco trasferite in una zona con clima caldo e che precedentemente vivevano in un clima più
fresco soffrono molto di più il caldo di quelle che hanno sempre vissuto in queste regioni. Allo stesso
modo diversi studi hanno evidenziato come gli abitanti di paesi caldi preferiscono temperature più
elevate di quelle previste dalle norme sul comfort americane e europee.
In generale nello stato o meno di comfort hanno influenza fattori demografici (sesso, età)
condizione economica, fattori di contesto (tipo di edificio, funzione dell’edificio, stagione, clima)
condizioni sociali, fattori cognitivi (attitudini, preferenze, aspettative). Si è introdotto in questi
ultimi anni il concetto di comfort adattativo intendendo con questo termine un approccio al confort
che coinvolge questi fattori non fisici nella percezione termica (De Daer 2000, Brager 2001).
Il termine “adattativo” può essere generalmente interpretato come la diminuzione della risposta
dell’organismo alle ripetute stimolazioni ambientali; in realtà il termine raccoglie tutti quei
meccanismi fisiologici di acclimatazione più tutti quei processi comportamentali e psicologici che
portano migliorare l’adattamento al clima interno. Indagini sperimentali hanno permesso di
elaborare il diagramma riportato in figura 4, in cui viene riportata per i diversi paesi l’intervallo di
temperature in cui gli abitanti hanno definito accettabili le condizioni ambientali. Si nota la
variabilità.
Figura 4. Variazione delle condizioni di comfort con la variazione della temperatura esterna.
Un altro aspetto interessante riguarda l’ottimizzazione della progettazione dell’edificio in modo da
garantire il raggiungimento di condizioni di comfort durante il giorno e durante la notte. E’ possibile
infatti che in alcuni ambienti vi sia conflitto tra le esigenze nelle due diverse situazioni. Ad esempio
utilizzando un involucro esterno con grande massa la temperatura interna durante il giorno si
abbassa ma allo stesso tempo si innalzano le temperature notturne. In presenza di questi conflitti è
utile individuare quale è la situazione più critica e in ogni caso è possibile nella grande maggioranza
dei casi con una opportuna progettazione contemperare le esigenze. Da un punto di vista
psicologico il comfort durante il periodo notturno è più importante di quello durante il giorno. Con
un riposo confortevole un più elevato stress termico può essere sopportato durante il giorno. Di
notte infatti l’organismo può così recuperare e non si ha accumulo di fatica.
6. UTILIZZO DEI DIAGRAMMI BIOCLIMATICI
I diagrammi bioclimatici, come è già stato detto, sono utili per evidenziare quali siano le criticità
climatiche di un determinato sito in relazione al comfort da realizzare all’interno degli ambienti. La
valutazione del clima locale si ottiene riportando sul diagramma bioclimatico i dati temperaturaumidità per intervalli temporali regolari (orari, giornalieri o mensili). A seconda dello scopo
dell’analisi si possono utilizzare le condizioni ambientali medie o quelle estreme.
Tipicamente l’utilizzo dei valori relativi ai giorni medi (24x12 coppie di dati) da una buona
rappresentazione del clima di un sito. Invece dei valori orari si possono considerare i valori estremi
e accoppiando temperatura massima e umidità minima e temperatura minima e umidità massima
per ciascun mese.
E’ possibile anche in maniera più sintetica individuare le condizioni caratteristiche tipiche nelle
diverse stagioni: tipico giorno invernale, tipico giorno primaverile, tipico giorno estivo, tipico giorno
autunnale (12 valori in 4 giorni). Si possono individuare i tipici giorni di ciascuna stagione
considerando i giorni medi di 4 mesi tipici, indicativamente gennaio, aprile, luglio e ottobre. Ancora
più sinteticamente si possono considerare giornata tipo per l’inverno (soleggiata e coperta) e per
l’estate (soleggiata e coperta). Non è facile avere però trovare in letteratura delle descrizioni di
questo ultimo tipo già disponibili, possono essere ottenute sulla base dell’esperienza personale e a
partire dai dati climatici completi. In maniera approssimata ma accettabile per una descrizione di
massima si possono utilizzare come rappresentativi delle condizioni più critiche i valori ambientali
dei mesi di luglio e gennaio.
Figura 5. Analisi bioclimatica per Venezia utilizzando il diagramma di Olgyay.
In figura 4 è presentato un esempio di analisi per il clima di Venezia utilizzando i valori climatici
relativi ai giorni medi mensili. Ogni punto rappresenta una coppia oraria di temperatura e umidità.
Dalla distribuzione dei punti si può dedurre l’importanza dei diversi elementi climatici e possono
essere valutati i possibili interventi. Soprattutto in relazione ai diagrammi di Gironi e Brown è
possibili valutare quale incremento percentuale può avere il tempo in cui si raggiungono condizioni
di comfort dentro un edificio utilizzando le diverse tecniche di controllo passivo o loro combinazioni
(fig. 5).
Figura 6. Analisi dell’effetto sul comfort dell’adozione di diverse tecniche di controllo ambientale
passivo per l’area dell’ovest Australia (Square One).
7. ULTERIORI STRUMENTI DI ANALISI
Utilizzando le temperature esterne dell’aria dei giorni medi mensili è possibile costruire una tabella
del tipo sotto riportato in cui nelle colonne sono riportati i valori orari di ciascun mese. In tale
tabella è possibile evidenziare i periodi in cui è necessario riscaldare – temperatura sotto un valore
limite es. 10°C – oppure raffrescare – temperatura sopra un valore limite, es. 27°C - oppure in è
possibile utilizzare l’aria esterna per raffrescare (free-cooling) – temperatura compresa tra 16 e
26°C.
In effetti le esigenze di climatizzazione o riscaldamento sono l’effetto dell’azione combinata di
scambi convettivi e radiazione solare. Nella valutazione di prima approssimazione vista si è
considerata la sola convezione. E’ possibile tenere conto della radiazione utilizzando la temperatura
sole aria come definita nel capitolo precedente.
Utilizzando sempre i valori ambientali nei giorni medi mensili è possibile ottenere una ulteriore
rappresentazione del clima locale. Sulla base della tabella descritta qui sopra è possibile infatti
costruire un ulteriore diagramma definito da Olgyay “Timetable of Climatic Needs” (Olgyay 1963), il
quale viene anche detto diagramma delle termoisoplete.
In esso in ascissa si riportano i mesi dell’anno mentre in ordinata le ore del giorno. Si riportano nel
diagramma le curve isovalore per la temperatura o per la radiazione e eventualmente anche le
diverse azioni necessarie per ristabilire condizioni di comfort, ricavate dal Bioclimatic Chart, in
termini di radiazione o velocità dell’aria o evaporazione.
Per i periodi di surriscaldamento ad esempio si possono riportare i mesi e le ore in cui sono
necessari l’ombreggiamento o un aumento della velocità dell’aria o l’utilizzo dell’evaporazione. Sul
diagramma possono essere tracciate anche le linee dell’alba e del tramonto.
Uno strumento di questo tipo riporta in maniera assai sintetica le sollecitazioni climatiche in un sito
e può quindi aiutare il progettista nelle prime fasi di progettazione al momento di definire la
disposizione degli spazi e gli orientamenti. In figura 6 è riportato un esempio per l’area di
Minneapolis.
Tabella I. Temperatura sole-aria nei diversi mesi a Dakkar (Senegal) clima di tipo A. Sono state
individuate le condizioni in cui si può pensare al free cooling, t<25°C, o in cui si ha necessità di
raffrescare, t>25°C, considerando tre livelli di insoddisfazione: 25°C<t<28°C, 28°C<t<30°C, 30°C<t.
Figura 7. Timetable of Climatic Needs per il clima di Minneapolis (Olgyay 1963).
8. L’ANALISI DELLE CONDIZIONI DI VENTO
Utili, nella descrizione delle condizioni di vento in un sito, si rivelano i diagrammi in cui si riporta la
distribuzione percentuale della direzione del vento (figura 8). Tali diagrammi, costituiti da frecce o
barre orientate la cui lunghezza è proporzionale all’incidenza percentuale con cui si riscontra una
data direzione del vento, sono tracciati su di una rosa dei venti nella quale il nord è indicato verso
l’alto. Ciascuna barra è divisa in segmenti di differente larghezza, i quali rappresentano le diverse
classi di velocità. Ad esempio il più sottile indica vento tra 1 e 10 km/h. La lunghezza di ciascun
elemento è proporzionale alla percentuale di incidenza delle diverse classi di velocità del vento che
soffiano in quella particolare direzione. La dimensione del cerchio centrale rappresenta la
percentuale di calma di vento.
Figura 8. Rappresentazione attraverso rose dei venti delle caratteristiche del vento in diverse
località australiane alle 9 del mattino durante la primavera.
L’analisi può essere fatta considerando intervalli temporali diversi. Una idea generale delle
condizioni si ottiene con l’analisi statistica annuale, è utile considerare separatamente le diverse
stagioni o almeno le condizioni invernali e estive. Si possono considerare quattro mesi campione
come visto per i diagrammi bioclimatici ed analizzare in rapporto alle criticità termiche la
possibilità di utilizzare il vento come agente di raffrescamento o la necessità di protezione durante
il periodo invernale. In siti soggetti a regimi di venti variabili durante il giorno (brezze) sono utili
anche delle analisi su giorni campione in modo da individuare cosa succede nelle diverse ore del
giorno.
9. BIBLIOGRAFIA
Givoni B., 1969, Man, Climate and Architecture, Applied Science Pubblisher, London.
Givoni B., 1998, Climate considerations in Building and Urban Design, International Thomson
Publishing, USA.
Olgyay V., 1963, Design with Climate, Princeton University Press, New Jersey.
Brown W., De Kay M., Sun wind and light, McGraw Hill, New York, 2004.
De Dear R., Brager G.,Cooper D., Developing an adaptive model of thermal comfort and preference,
University of California, Berkeley, 1997.
