Tecnica
settembre 2013
la termotecnica
Energia & Comfort
di L. Danza, I. Meroni, F. Salamone
57
Valutazione delle prestazioni termoigrometriche
di finestra dinamica in regime transitorio
Come è noto le finestre giocano un ruolo fondamentale sia nel bilancio energetico degli edifici sia in termini di comfort termo-igrometrico. Di seguito
sono presentati i risultati sperimentali ottenuti dal confronto delle prestazioni di due serramenti mediante l’ausilio di specifiche celle di prova secondo
tre diversi approcci di calcolo, valutando i tradizionali parametri di comfort (PMV e PPD), il poligono del benessere e la retta ambiente sul diagramma
psicrometrico.
Thermo hygrometric performances evaluation of dynamic window in transient state
The windows have an important role, as known, both in the energy balance of buildings and the internal thermo hygrometric comfort. Below the experimental results obtained comparing the performances of two windows built in specific test cells are presented. The analysis is carried out with three different
approaches of comfort evaluation: thermo-hygrometric analysis (PMV and PPD), well-being polygon and operating condition factor (psychrometric chart).
I componenti analizzati
Per analizzare il comportamento di un elemento di facciata innovativo
sono state utilizzate due celle di prove esterne. In entrambe sono
montati due serramenti identici per la tipologia di vetro (vetrocamera
bassoemissivo 44.1/12aria/33.1), di telaio (alluminio taglio termico),
dimensione (1.50 x 2.00 m) e sistema di oscuramento (tenda bianca
microforata). Sulla prima cella, detta di riferimento (Cella A), è montato
un serramento tradizionale non ventilato, invece sulla seconda cella,
detta campione (Cella B), è montato lo stesso serramento in cui però è
presente un dispositivo per la ventilazione meccanica. L’unica differenza
delle celle è data dal sistema di ventilazione e dal principio fisico adottato
per il ricambio dell’aria. Nella cella di riferimento è presente un estrattore
centrifugo collocato sulla parete nord, invece nella cella campione il
ricambio d’aria è garantito da una ventola posta nel telaio superiore del
serramento che aspira aria dall’ambiente interno verso l’esterno a sud.
Nel primo caso l’aria a 20 °C viene direttamente espulsa dall’ambiente,
invece nel secondo caso l’aria trattata entra nella camera di ventilazione
del serramento, tra la tenda e la superficie vetrata, che ne lambisce le
superfici e successivamente viene espulsa. L’obiettivo è sottrarre il calore
accumulato sul vetro riducendo il fattore solare durante il periodo estivo e
la trasmittanza termica nel periodo invernale migliorandone sia il comfort
sia l’efficienza energetica.
Opportuni test di misura della concentrazione del gas tracciante SF6 in
ambienti confinati hanno consentito di misurare il ricambio orario delle
due celle con i diversi sistemi di ventilazione meccanica risultando un
valore identico pari a circa 0,9 h-1.
figura 1 - Schema di funzionamento dei sistemi di ventilazione
L’assetto sperimentale utilizzato
Le due celle di prove esterne simulano il comportamento di un ambiente
tradizionale e sono costruite con le medesime caratteristiche fisiche e
geometriche relativamente a chiusure verticali e orizzontali opache e
opportunamente monitorate e calibrate.
Hanno dimensioni di 2,80 x 2,80 x 5,00 metri e un volume riscaldato
di circa 40 m3. Le celle sono completamente monitorate e calibrate al
fine di garantire la confrontabilità dei componenti in prova installati sul
prospetto sud. Il monitoraggio allestito nelle celle consente di rilevare i
parametri relativi al benessere termico e igrometrico. Vengono inoltre
contabilizzati i consumi elettrici per la climatizzazione delle celle mentre
una stazione meteo consente il rilievo delle condizioni ambientali esterne.
La sperimentazione
Sono stati calcolati gli indici PMV e PPD in condizioni di assenza di
climatizzazione senza considerare né i rispettivi valori assoluti, né il
range suggerito per l’indice di persone insoddisfatte (-10% < PPD <
+10%), ma valutando il valore relativo ottenuto per confronto tra gli
indici calcolati. Nel periodo primaverile e autunnale, come ipotesi di
calcolo semplificative, è stata supposta un’attività lavorativa pari a
1,2 met con una resistenza termica dell’abbigliamento pari a 0,8 clo
e un lavoro esterno nullo.
Si confrontano inoltre i punti registrati durante la sperimentazione
(temperature e umidità relativa) delle celle con i “poligoni del
benessere”, definiti nel quadro normativo ASHRAE e, in ultima
analisi, si analizzano le “rette ambiente” ottenute dalle trasformazioni
psicrometriche dell’aria umida che dall’esterno entra nelle celle di
prova senza essere trattata meccanicamente.
Per la costruzione delle curve di comfort sono stati monitorati i
seguenti parametri:
-- temperatura dell’aria;
-- temperatura radiante;
-- umidità relativa;
-- velocità dell’aria.
L. Danza, I. Meroni, F. Salamone - ITC-CNR, Istituto per le Tecnologie della Costruzione - Consiglio Nazionale delle Ricerche
Tecnica
58
Energia & Comfort
Il comfort termoigrometrico: teoria
Il danese P. Ole Fanger è stato il primo a mettere in evidenza le
possibili ripercussioni che condizioni di discomfort termoigrometrico
possono causare sul corpo umano: in edifici residenziali possono,
alla lunga, causare problemi all’apparato respiratorio; negli uffici,
invece, possono determinare un decisivo abbattimento del grado di
attenzione e il conseguente rendimento.
Per definire il comfort termo-igrometrico di un ambiente si fa riferimento
alla norma UNI EN ISO 7730. Il comfort termoigrometrico è influenzato
dall’attività fisica e dall’abbigliamento, oltre che da alcuni parametri
misurabili in un ambiente abitato: temperatura dell’aria misurata attraverso
un termometro, temperatura media radiante misurata attraverso un
globotermometro, velocità misurata con un anemometro e umidità relativa
dell’aria misurata attraverso un igrometro.
Una volta misurati questi parametri si può prevedere la sensazione termica
di una persona calcolando l’indice PMV (voto medio previsto). L’indice
PPD (percentuale prevista di insoddisfatti) fornisce invece informazioni sul
disagio termico, o malessere termico, prevedendo la percentuale di persone
che percepirebbe una sensazione di discomfort in un certo ambiente.
In secondo luogo, per identificare i “poligoni del benessere” l’American
Society of Heating Ventilation and Air-conditioning Engineers (ASHRAE) ha
determinato i valori limite di temperature e umidità, per determinate zone,
utili a garantire un accettabile livello di comfort ambientale. Unendo i punti
in un diagramma psicrometrico si ottengono due poligoni, per il periodo
estivo e invernale, che delimitano le aree dell’intero diagramma.
Nello stesso diagramma psicrometrico è possibile tracciare anche la “retta
ambiente” data dai punti rappresentativi delle condizioni esterne e di quelle
interne. Il coefficiente angolare di tale retta rappresenta il fattore di carico,
caratteristica intrinseca di ogni cella per determinate condizioni al contorno.
Esso assume il significato fisico del rapporto fra calore sensibile e calore
totale, dato dalla somma tra calore sensibile e latente.
La conduzione delle analisi
Analisi termoigrometriche
Le analisi termoigrometriche permettono di eseguire molteplici
considerazioni relativamente al comportamento di un elemento di involucro
rispetto a un altro. Le suddette valutazioni si riferiscono al confronto delle
celle sperimentali in termini di: PPD e PMV.
Si considera il mese di maggio, periodo nel quale gli apporti gratuiti
risultano essere determinanti per ottenere migliori condizioni di comfort e
discriminanti tra la sensazione di caldo o freddo percepita dagli occupanti.
Nella fattispecie la temperatura di equilibrio della Cella B risulta
mediamente inferiore di 1 °C rispetto a quella registrata nella Cella A.
Analogamente per l’umidità relativa si misurano valori più bassi di circa
il 10% nella Cella B. Tali variazioni si registrano in quanto le analisi
condotte in campo energetico tra i due serramenti hanno evidenziato
un risparmio energetico del vetro ventilato in estate pari a circa il 30%,
confermando anche nei mesi primaverili una capacità intrinseca di
mantenere migliori condizioni di benessere.
Una settimana tipo di maggio presenta i dati di PPD (Figura 2A e Figura
3) migliori, a seconda della temperatura esterna, sia nella Cella A sia nella
Cella B tenuto conto che il PMV indica mediamente una sensazione di
benessere “neutra”. Trattandosi di un periodo in cui la temperatura esterna
oscilla tra circa 10 °C e 24 °C, la Cella B mantiene temperature sempre
settembre 2013
la termotecnica
figura 2 - Andamento della temperatura, umidità relativa
interne - comfort
più basse attestandosi su valori di comfort migliori per temperature esterne
medie vicine ai 20 °C e valori di comfort peggiori con temperature esterne
medie intorno ai 15 °C.
figura 3 - Andamento del PPD e PMV in primavera
Contrariamente a quanto osservato per maggio, in estate si verifica che il
PPD (Figura 2B) è migliore nella Cella B di circa il 10%, rispetto alla Cella
A, con sensazione di benessere “neutra”. Ciò indica che in una giornata
soleggiata con temperature esterne che raggiungono valori massimi di 30
°C non è necessario accendere il condizionamento; per la Cella A, invece, è
necessario climatizzare l’ambiente per garantire le condizioni di benessere.
Poligono del benessere
Qualora l’ambiente sia riscaldato o raffrescato da un impianto a tutt’aria
è facile constatare se l’aria immessa, tenuto conto anche del fattore
di carico (o retta ambiente), soddisfa i criteri di comfort adottando il
“poligono del benessere” (Fonte: ASHRAE). In un’analisi sperimentale,
dove è necessario misurare le prestazioni dell’involucro o di parte di esso,
come detto in precedenza, l’impianto è tenuto spento e pertanto i punti
di misura possono collocarsi sia all’esterno sia all’interno del poligono.
Oltre al PPD e al PMV, è possibile disegnare il suddetto poligono su
un diagramma psicrometrico che, in estate e in inverno, secondo le
combinazioni di temperature e umidità, definite dalla norma, rappresenta
l’area in cui il comfort è garantito.
A partire dai dati registrati è possibile valutare come varia il
comportamento fra la Cella A e la Cella B, in particolari periodi.
Il periodo che va dal 10/10/2011 al 16/10/2011 è caratterizzato
dall’assenza della climatizzazione. Trattandosi di un periodo intermedio
tra riscaldamento e raffrescamento, la Figura 4 mostra entrambi i
poligoni del benessere caratteristici dei due periodi invernale ed estivo.
La temperatura dell’aria della Cella A oscilla intorno a un valore medio
pari a 24 °C e 22.5 °C per la B. L’umidità relativa media per la Cella A è
pari a 30%, invece per la Cella B è di 25%. Sulle 168 rilevazioni registrate,
111 rientrano nei poligoni del benessere per la Cella A, 82 per la Cella B.
Effettuando un’analisi speditiva la presente settimana determina
un comfort migliore della Cella A rispetto alla Cella B. Uno studio
approfondito in realtà conduce, come per l’analisi del comfort
termoigrometrico, a un risultato opposto. Proiettando i risultati in un
periodo più caldo si può immaginare che le rispettive temperature interne
Tecnica
settembre 2013
la termotecnica
Energia & Comfort
37
59
della retta ambiente sono negativi quando il calore è ceduto verso l’esterno
(tipicamente in inverno o quando le temperature interne sono maggiori di
quelle esterne) e contemporaneamente il calore latente (considerato sempre
positivo) è maggiore del calore sensibile, espresso in valore assoluto. Nello
specifico, la differenza dei coefficienti angolari delle due rette per quel
dato giorno è giustificata proprio dal differente calore sensibile presente
nelle celle e comunque molto ridotto essendo nella prima metà del mese di
ottobre. A ogni modo, una pendenza maggiore (Cella B) rappresenta una
minore variazione della temperatura interna, sia in estate sia in inverno, ma
non necessariamente una minore variazione dell’umidità interna.
figura 4 - Periodo di comfort dal 10/10/2011 al 16/10/2011
di equilibrio delle celle subiscano variazioni tra loro coerenti. Pertanto
si otterrebbero per la Cella B sicuramente temperature sempre più basse
della Cella A (mediamente di 1 °C), con possibile andamento discordante
per le umidità relative. Tale considerazione porta quindi a identificare
la Cella B mediamente più confortevole in tutto l’arco del periodo estivo.
Analisi psicrometrica
Il diagramma psicrometrico oltre che permettere di individuare le migliori
condizioni di comfort ambientale e progettare correttamente dal punto di
vista termotecnico, può essere utilizzato anche per evidenziare differenze
comportamentali per ciò che riguarda la capacità di trasferire naturalmente
(con lavoro nullo) il calore da un ambiente all’altro.
È possibile utilizzare il diagramma psicrometrico per stimare graficamente
le grandezze caratteristiche della trasformazione termodinamica oggetto
di studio, eseguita senza l’ausilio di un impianto di climatizzazione. La
Figura 5 mostra le trasformazioni psicrometriche della Cella A e della Cella
B, che scambiano calore con l’ambiente esterno a causa delle dissipazioni
dell’involucro e della ventilazione meccanica.
figura 5 - Diagramma psicrometrico
Si considera il giorno 13/10/2011 (E) rappresentativo del campione di
dati osservato per le analisi del poligono del benessere (Figura 5). Esaminando i dati climatici e i punti di misura interni (A’ e B’) delle rispettive celle
A e B, acquisiti dall’intersezione delle temperature a bulbo secco e delle
umidità relative, si ottengono i segmenti E-A’ ed E-B’.
Le celle in esame presentano al loro interno solo apparecchiature elettriche
e pertanto il calore latente generato all’interno è ridotto e stimato in pochi
wattora. Il calore sensibile, invece, è rappresentato dal calore disperso;
nella fattispecie la Cella A consuma il 30% di energia in più rispetto alla
Cella B. I due fattori di carico hanno un valore negativo e pari a circa -4
e -0,45 (rispettivamente per il segmento E-A’ e E-B’). In generale i valori
risultati ottenuti e considerazioni
Sebbene la presente è volta alla valutazione delle sole prestazioni termoigrometriche della finestra dinamica, è necessario comunque fare una breve
considerazione per ciò che riguarda i consumi di energia. È necessario
sottolineare come la Cella B con il vetro ventilato determina una riduzione
dei consumi rispetto alla finestra tradizionale pari al 10% in inverno e al
30% in estate. Tale prestazione è giustificata dal fatto che la vetrazione è
caratterizzata da una minore dispersione termica, poiché mantenuta a
temperatura costante dall’aria trattata che ne lambisce la superficie interna.
Sulla base di queste premesse è possibile procedere con le considerazioni relative al comfort termoigrometrico. Dalla lettura dei risultati
ottenuti risulta evidente il contributo apportato dal sistema dinamico in
termini di comfort ambientale.
La sperimentazione ha potuto evidenziare che la cella di test con il vetro
ventilato ha dimostrato di ottenere temperature e umidità relative sempre
più basse rispetto alla cella di riferimento.
È interessante valutare che l’aria esterna entrante nelle celle modifica sia la
temperatura sia soprattutto l’umidità relativa, che non necessariamente è
causa di un elevato calore latente in esse presente.
Il comfort termoigrometrico in regime dinamico, eseguito secondo la UNI
EN ISO 7730, mostra interessanti spunti di valutazione che consentono di
stabilire in quali condizioni un ambiente è più confortevole di un altro. Effettuando un’analisi puntuale del comfort, in regime statico, non sarebbe stato
possibile individuare gli andamenti in funzione delle variabili ambientali.
Inoltre, introducendo il poligono del benessere, i risultati confermano quanto
mostrato per il PPD e il PMV. In dettaglio però è stato possibile analizzare più
precisamente i principali parametri che, tra tutti, determinano maggiormente la sensazione di benessere nella presente sperimentazione: temperatura
dell’aria e umidità relativa interna.
L’analisi psicrometrica, infine, ha permesso di indicare il percorso che le
suddette variabili interne seguono, indagando le motivazioni fisiche che
legano la temperatura e l’umidità relativa interna e che obbligano le celle
a comportarsi in quel modo. L’analisi quindi ha permesso di identificare
nel differente rapporto tra calore sensibile (dato dalle dispersioni termiche)
e calore latente la principale causa che influenza il comfort e grazie alle
rispettive rette ambiente è possibile prevedere il comportamento delle celle
al variare delle condizioni climatiche.
In sintesi, i tre approcci, se condotti parallelamente, permettono di valutare in modo ampio e dettagliato il grado di comfort di un particolare
elemento di involucro nelle diverse condizioni di funzionamento e stabilire, come nella presente sperimentazione, quali parametri controllare
maggiormente anche in fase di progettazione per garantire le migliori
condizioni di comfort termico.
