Modelli di valutazione del comfort termo-igrometrico

Se il risparmio energetico è un tema ormai assodato, risultano i nuovi obiettivi da raggiungere la salubrità e il comfort degli ambienti interni. Ma quando siamo in situazioni di comfort? Come può essere questo progettato prima e misurato poi? Progetto Dhomo si pone l’obiettivo di rispondere a queste domande ponendo delle solide ipotesi in fase progettuale e verificandole tramite il cantiere-laboratorio realizzato per condurre le analisi necessarie.

Cosa si intende con il termine "comfort ambientale"

Si definisce comfort ambientale quella particolare condizione di benessere determinata dalle percezioni sensoriali di una persona in base alla temperatura, all’umidità dell'aria, al livello di rumorosità e luminosità rilevati all'interno di un ambiente. Il comfort ambientale si identifica quindi con il benessere psicofisico delle persone che vivono in un ambiente chiuso, sia esso un’abitazione o un posto di lavoro, ed è una sensazione strettamente legata a determinate condizioni ambientali in buona parte già pianificabili durante la fase di progettazione di un edificio.

Il benessere termo-igrometrico

Il benessere termo-igrometrico dell’individuo può essere definito come “la condizione mentale di soddisfazione nei confronti dell’ambiente termico” [UNI ISO EN 7730] e coincide con lo stato in cui il soggetto non sente né caldo né freddo. Questo è l’aspetto del comfort maggiormente analizzato e considerato dalla normativa europea per la realizzazione di edifici che garantiscano la qualità della vita indoor.

Perché parlare di comfort indoor?

Le tematiche collegate al comfort abitativo sono state a lungo sottovalutate, ma gli studi condotti negli ultimi decenni hanno evidenziato quanto la qualità di vita all’interno di spazi confinanti possa essere seriamente compromessa in particolar modo in correlazione ad alcuni aspetti particolari: è il caso della qualità dell’aria interna e del suo impatto sulla nostra salute.

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Modelli di comfort termico

Per la valutazione del comfort termo-igrometrico esistono diversi modelli basati sia su aspetti fisiologici e comportamentali, sia su analisi statistiche, con l’obiettivo di coprire anche le diverse sensibilità soggettive.

I modelli più utilizzati per valutare il comfort termico ad oggi sono:

• Modello di Fanger
• Modello adattivo

Modello di Fanger

È stato sviluppato negli anni ’60 ed è lo standard principale a cui si rifanno le principali normative. Esso vede le persone come soggetti passivi di scambio termico, all’interno di ambienti chiusi verso l’esterno e climatizzati. Tale modello prescrive temperature ottimali pressoché costanti, a parità dei valori di sei variabili indipendenti:

• temperatura (Ta)
• umidità relativa (Ur)
• velocità dell’aria (v)
• temperatura media radiante (Tm.rad) (sinteticamente, è la media delle temperature superficiali di pareti, solai, finestre e porte di una stanza)
• isolamento termico del vestiario (clo)
• livello di attività metabolica (met)

Gli indici di comfort secondo il modello di Fanger, funzione delle sei variabili di cui sopra, sono il PMV (Predicted mean vote o Voto Medio Previsto) e il PPD (Percentage People Dissatisfied). Il PMV esprime la sensazione media di comfort degli occupanti di una stanza ed è espresso su di una scala numerica che può andare da -3, sensazione di “molto freddo”, a +3 “, sensazione di “molto caldo”, dove 0 è il valore ideale. Il PPD esprime la percentuale di persone insoddisfatte in un determinato ambiente ed è dunque espresso con valore percentuale da 0 a 100.

Negli ultimi anni molti ricercatori hanno iniziato a mettere in dubbio la validità di questo tipo di impostazione, che non tiene conto di importanti fattori come quelli climatici, culturali, sociali e contestuali, ed hanno introdotto il concetto di adattamento, che spiega come il contesto e la storia termica di ciascun soggetto possano modificare le aspettative e le preferenze termiche degli occupanti.

Nel modello di Fanger la condizione interna ottimale di un edificio (quella in cui gli occupanti si sentono in condizioni gradevoli) è correlata esclusivamente ai parametri relativi alle condizioni interne all’edificio (es. temperatura dell’aria e velocità, temperatura media radiante, umidità dell’aria), alle caratteristiche del vestiario e al tasso metabolico degli occupanti. Questo modello si basa sulle correlazioni trovate tra l’impressione di comfort soggettiva delle persone e le condizioni termiche (es. umidità relativa, tasso metabolico, vestiario) all’interno di un ambiente chiuso e controllato. Anche se esso tiene conto di come le persone sono vestite e della loro attività, risulta spesso necessario assumere valori tipici per il vestiario e per i tassi metabolici. Questo può condurre a definire una banda statica e stretta di temperature “confortevoli” da applicare uniformemente nello spazio e nel tempo. Le temperature statiche sfavoriscono le tecnologie passive, le quali sono efficaci nel moderare le fluttuazioni delle condizioni esterne, ma in generale non sono in grado di disaccoppiarle completamente dall’ambiente interno.

Stazione microclimatica posizionata in una delle stanze monitorate, restituisce PMV e PPD

Modello di comfort adattivo

In questo modello l’occupante di un edificio non è più semplicemente inteso come un soggetto passivo, così come appariva nel modello statico (Fanger PMV), ma come un agente attivo che interagisce a tutti i livelli con l’ambiente in cui soggiorna.

Si tratta di un modello che propone una correlazione tra la temperatura di comfort per gli occupanti (T op) di un edificio e la temperatura media dell’aria esterna (T em). Il modello adattivo introduce quindi algoritmi di controllo e di risposta che permettono di migliorare il livello di comfort termico degli occupanti e di ridurre il consumo di energia.

Ecco la correlazione secondo la norma UNI EN 16798-1:2019:     
Top = 0,33*Tem+18,8 (Temperatura operativa ottimale giornaliera/oraria)

Si ottiene una fascia di comfort per un periodo desiderato (ad esempio la stagione estiva, in assenza di climatizzazione meccanica), calcolata sommando e sottraendo alcuni gradi °C (in funzione del tipo di edificio) dalla curva della temperatura operativa ottimale.

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Alla base del modello di comfort adattivo c’è la convinzione che il soggetto, consciamente o inconsciamente, svolge un ruolo attivo nella creazione delle condizioni termiche che preferisce e che, per raggiungere più facilmente la soddisfazione nei confronti del microclima, attua un processo di adattamento, definito come quel processo di graduale diminuzione delle reazioni individuali agli stimoli ambientali.

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Possiamo quindi distinguere tre tipi di adattamento:

1. comportamentale: l’insieme dei cambiamenti che una persona mette in atto, consciamente o no, per modificare i parametri che regolano il bilancio termico del corpo; può essere suddiviso in personale, tecnologico e culturale
2. fisiologico: l’esposizione prolungata a determinate condizioni riduce lo stress; questo tipo di adattamento ha un’influenza trascurabile sulla percezione del comfort nelle condizioni tipiche degli ambienti moderati
3. psicologico: le esperienze pregresse e le aspettative modificano la percezione degli stimoli sensoriali e la reazione ad essi.

Tra i tre meccanismi di adattamento quello comportamentale fornisce alle persone un ruolo attivo nel mantenimento del proprio comfort, proprio perché direttamente legato al bilancio termico del corpo umano. In linea di massima il modello adattivo definisce temperature di comfort maggiori e più flessibili rispetto al modello di Fanger. Spesso la temperatura di comfort adattiva ottimale può essere raggiunta utilizzando strategie di raffrescamento passivo, come l’ombreggiamento delle finestre e ventilazione notturna. In questi casi, il fabbisogno di raffrescamento si riduce praticamente a zero, e non è necessario (o quasi) un raffrescamento meccanico.

Progettazione passiva di ombreggiamento della finestra

Il concetto alla base di questo modello è il processo, documentato, per il quale il corpo umano si adatta (inclusa la variazione del tasso metabolico) al clima stagionale e locale. Di conseguenza, gli occupanti considereranno temperature interne diverse come confortevoli a seconda della stagione e della località. Per esempio, applicando l’algoritmo adattivo definito nella norma EN 16798-1:2019 a dati meteorologici annuali tipici, si arriva a prevedere temperature di comfort neutrali massime (in corrispondenza di una sequenza di giorni caldi) per città come Francoforte, Milano, Lisbona e Siviglia pari rispettivamente a 26.1°C, 27.2°C, 26.7°C, e 28.7°C.

Il modello di comfort adattivo è stato definito nel corso degli anni e collaudato in vari studi (Humphreys, 1975; 1978; 1979; Nicol, 1993; de Dear, 1998; Nicol & McCartney, 2001). Nella maggior parte delle attuali norme edilizie, la definizione di comfort termico segue la norma ISO 7730, che è basata sul modello stazionario di Fanger, ma in anni recenti, alcune norme internazionali (es. la norma americana ASHRAE 55 2004 e la norma europea EN 16798-1:2019) propongono modelli di comfort adattivo basati su sondaggi di comfort effettuati negli edifici reali. Queste hanno introdotto modelli adattivi per gli edifici ventilati in modo naturale.

Altri modelli di valutazione

Un terzo modello è rappresentato dal diagramma bioclimatico di Milne-Givoni, adatto per prevedere le condizioni di comfort termico-igrometrico interno di un edificio in base alle condizioni climatiche esterne prevalenti. Givoni ha basato il suo studio sul rapporto lineare che intercorre fra l’ampiezza di temperatura e la pressione di vapore dell’aria esterna in varie regioni. Sul diagramma psicrometrico, sono indicati sovrapposti i limiti delle strategie di raffrescamento e riscaldamento passive.

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L'articolo prosegue con un'analisi dei primi risultati sperimentali condotti attraverso il Progetto Dhomo.

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