Il modello climatico: studiamo l'ambiente per ... - Ranieri Editore

Q UALITÀ E AMBIENTE
Il modello climatico: studiamo
l’ambiente per rispettarlo.
Luca Talamona
L’AMBIENTE 3/05
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ABSTRACT
The climatic model: how to study the environment
in order to respect it
A precise knowledge of geographical and climatic information
about the location which needs to be analyzed is fundamental in
order to project a building system.
This building system will be able to tap, preserve and use the
energy coming from the external thermal stresses.
In this article I would like to describe the first step of the survey
that aims at identifying those prescribing, legislative and manual
sources which offer the agreed climatic data. These data could
be useful in order to project both a building cover and a plant
engineering component.
The data which will be presented can be divided into three
categories:
1. hourly average climatic data per day;
2. daily average climatic data per month;
3. project data.
Thanks to the first ones, it will be easier to obtain a distribution of:
• the average hourly values of the external air temperature;
• the related humidity;
• the winds condition;
• the rainwater concentrations.
The previously data will make certain planning strategies
easier.
The second data concern both the calculation of the energetic
requirements and the hydrometric examinations.
The last data concern the verification of the minimum and
maximum values’ exceeding of specific quantities and the
measurement ( concerning the thermal power) of the heating or
cooling systems.
Per la progettazione di un organismo edilizio energeticamente
consapevole, dotato quindi di sistemi capaci di captare,
conservare ed utilizzare l’energia proveniente dalle
sollecitazioni termiche esterne, occorre avere una conoscenza
completa e strutturata dei dati di natura geografica
e climatica caratterizzanti il sito in cui si vuole intervenire.
Questa prima fase di indagine mira all’individuazione di
quelle fonti normative e legislative o manualistiche che offrono
i dati climatici convenzionali utili per la progettazione
dell’involucro edilizio e della componente impiantistica.
I dati che saranno presentati possono essere raggruppati
in tre categorie:
• dati climatici orari medi giornalieri;
• dati climatici giornalieri medi mensili;
• dati di progetto.
I primi permettono di ottenere sia una distribuzione dei
valori medi orari della temperatura dell’aria esterna e dell’umidità
relativa, sia lo stato dei venti e le concentrazioni di
Località
Altezza sul livello
del mare (m)
Tabella 1 - Caratteristiche geografiche.
Latitudine
Longitudine
Pieve Emanuele (MI) 97 45° 20’ 30’’ 09° 11’ 43’’
Milano 122 45° 28’ 38’’ 09° 10’ 53’’
acqua piovana cadute, permettendo la scelta di opportune
strategie progettuali.
I secondi riguardano il calcolo dei fabbisogni energetici e le
verifiche idrometriche ed infine, i terzi, la verifica del superamento
di valori massimi o minimi di specifiche grandezze
e il dimensionamento, nei termini della potenza termica, dei
sistemi di riscaldamento o raffreddamento.
Dati generali relativi al sito e al clima
Si procede con l’individuazione delle caratteristiche geografiche
del sito in funzione del comune di appartenenza
(www.comuni-italiani.it). Si presentano anche i dati relativi
al capoluogo di provincia più vicino al comune in esame,
poiché saranno utili nella determinazione di alcune grandezze.
Consideriamo, ad esempio, il Comune di Pieve
Emanuele, in provincia di Milano (Tabella 1).
Dati climatici orari medi giornalieri
Questo tipo di dati è preso dal volume pubblicato dal CNR
“Dati climatici per la progettazione edile ed impiantistica”
in relazione alla stazione meteorologica più vicina al sito in
esame e nasce come media statistica dei rilevamenti operati
in un arco temporale di venti anni.
Queste informazioni mostrano come si distribuiscano le
Figura 1 - Diagramma di Olgyay, dati orari annuali.
QUALITÀ E AMBIENTE

Figura 2 - Diagramma di Olgyay, giorni medi mensili.
Figura 3 - Frequenza e direzione di provenienza predominante su base annua.
singole combinazioni orarie di temperatura dell’aria esterna
ed umidità relativa in relazione alle condizioni di comfort
termoigrometrico stabilite tramite il metodo di Fanger.
La rappresentazione avviene attraverso il diagramma detto
di Olgyay (Figura 1).
aprile e tra agosto ed ottobre (Figura 4).
Per concludere il quadro climatico viene presentato l’andamento
delle precipitazioni medie mensili (Figura 5).
Questi dati si riferiscono alla
stazione meteorologica di Milano
Linate. Si nota come il clima
locale è temperato, compreso tra
un minimo di 10 °C sotto zero e
un massimo di 34°C. Tuttavia, la
distribuzione delle combinazioni
di valori tende ad addensarsi in
prossimità di alti valori di umidità
relativa.
In particolare, se si elaborano
i dati di partenza in modo da
avere una distribuzione relativa
ai giorni medi mensili, si possono
ottenere delle informazioni aggiuntive
(Figura 2).
In sostanza si nota, definita la
zona di comfort in un dominio
di temperature compreso tra
18 e 22 °C e di umidità relativa
tra il 30 e 65%, che nel mese di
maggio le condizioni climatiche
esterne sono tendenti a quelle
ritenute di comfort.
Risulta utile conoscere qual è il
comportamento dei venti dominanti
in funzione della direzione
predominante, della frequenza e
della velocità.
Da un’analisi su base annua si
evince che le direzioni predominanti
sono sud-ovest ed est
(Figura 3).
Più nello specifico, guardando i
dati mensili, si vede come sudovest
sia predominante tra novembre
e febbraio e tra maggio
e luglio, mentre est in marzo ed
Figura 4 - Frequenza e direzione di provenienza predominante su base mensile.
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QUALITÀ E AMBIENTE

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Figura 5 - Andamento delle precipitazioni medie mensili.
Località Gradi giorno (GG) Zona climatica
(-)
Tabella 2 - Caratteristiche climatiche.
Periodo annuale di
riscaldamento
Dati climatici giornalieri medi orari
Il primo passo è quello di individuare alcuni parametri che
permettono di ricavare i dati climatici giornalieri medi orari
secondo la UNI 10349. A tal fine si ricorre al DPR 26-8-1993
n. 412 “Regolamento recante norme per la progettazione,
l’installazione, l’esercizio e la manutenzione degli impianti
termici degli edifici ai fini del contenimento dei consumi di
energia, in attuazione dell’art. 4, comma 4, della L. 9 gennaio
1991, n. 10”. Questo decreto fornisce, per ogni località,
il valore dei gradi giorno (definito come: la somma, estesa
a tutti i giorni di un periodo annuale convenzionale di riscaldamento,
delle sole differenze positive giornaliere tra la
temperatura dell’ambiente, convenzionalmente fissata a 20
gradi centigradi e la temperatura media esterna giornaliera;
l’unità di misura utilizzata è il grado giorno 1 ) e conseguentemente
la zona climatica (Tabella 2).
In funzione della destinazione d’uso degli edifici componenti
il complesso della “corte solidale”
Durata giornaliera
di attivazione
Pieve Emanuele (MI) 2.404 E 15-ott/15-apr 14h
Milano 2.404 E 15-ott/15-apr 14h
si ricavano le categorie prevalenti
che sono: E.1(1)/E.1(2); E.4(1)-
E.7; E.8.
A questo punto si può passare alla
UNI 10349 che fornisce, come già
detto, i dati climatici convenzionali
necessari al calcolo dei fabbisogni energetici e alle verifiche
idrometriche relativi al comune scelto, ottenuti da un’interpolazione
dei dati relativi al capoluogo di riferimento.
Questi dati vengono presentati insieme all’elaborazione dei
dati orari precedentemente individuati, in modo da offrire la
possibilità di un confronto diretto tra le due fonti.
Figura 6 - Temperature medie mensili dell’aria esterna.
Figura 8 - Irradiazione solare giornaliera media mensile totale.
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Figura 7 - Umidità relativa media mensile dell’aria esterna.
Questo dato permette di valutare qual è la quantità d’acqua
piovana media attesa nel corso dell’anno.
La conoscenza di queste caratteristiche climatiche su base
mensile, mediate con le informazioni offerte dalla norma UNI
10349, permette di definire opportune strategie progettuali.
Figura 9 - Irradiazione solare giornaliera media mensile diretta.
QUALITÀ E AMBIENTE

Q UALITÀ E AMBIENTE
L’analisi dei dati climatici deve orientare verso l’applicazione
di una logica progettuale rispetto ad un’altra ed un metodo
semplice che permette di individuare le strategie perseguibili
per la specifica zona climatica è il diagramma bioclimatico
di Milne-Givoni. Si fa notare che le logiche progettuali
consigliate durante la stagione invernale ed in quella estiva
generalmente sottendono soluzioni contrastanti. Per poter
coniugare i due aspetti è importante che l’edificio sia concepito
come un sistema in grado di regolare i flussi energetici
in modo dinamico, nel corso del giorno e dell’anno.
Sul diagramma in figura 12 si riportano per ogni mese la
temperatura media, minima e massima e l’umidità relativa
media mensile dell’aria esterna, considerata costante per le
tre temperature.
Figura 10 - Irradiazione solare giornaliera media mensile diffusa.
Le prime informazioni che si presentano riguardano l’andamento
della temperatura dell’aria esterna (Figura 6).
Come si vede, i valori ottenuti usando il metodo proposto
dalla norma sono più alti per tutti i mesi dell’anno, presentando
una differenza massima in corrispondenza dei mesi
estivi.
Viene anche analizzato il grafico
(figura 7) riguardante l’umidità
relativa media mensile.
Si riporta di seguito un prospetto in cui si presentano i dati di
input del diagramma e l’indicazione delle zone corrispondenti.
Località
Tabella 3 - Dati di progetto.
(°C) (°C) (w/m 2 )
Milano -5,0 6,8 68 183
(-)
Si passa ora ai dati relativi all’irradiazione
solare giornaliera media
mensile, prima presentando
i valori totali poi le due componenti
diretta e diffusa (Figure 8,
9, 10 e 11)
Dati di progetto
I dati di progetto permettono il dimensionamento
degli impianti di
riscaldamento o raffrescamento.
In particolare essi sono riportati
dalla normativa UNI. Dalla UNI
5364 si ricava la temperatura
minima di progetto e
dalla UNI 10379 il valore medio
stagionale della temperatura
dell’aria esterna , il valore
medio stagionale dell’irradianza
sul piano orizzontale calcolato
nei mesi interamente compresi
nella stagione di riscaldamento
e il numero dei giorni della
stagione di riscaldamento
(Tabella 3).
Il diagramma
bioclimatico e le
strategie progettuali
Il processo progettuale, quindi,
non è più indipendente dalle
condizioni contestuali, ma ne è
fortemente influenzato.
Figura 11 - Irradiazione solare giornaliera media mensile su superfici verticali.
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QUALITÀ E AMBIENTE

Q UALITÀ E AMBIENTE
Figura 12 - Diagramma bioclimatico di Milne-Givoni per la località in esame.
Per una scelta oculata della soluzione progettuale si pensa
che sia opportuno indicare la direzione del vento prevalente
mensile per poter schermare maggiormente alcune facce
dell’edificio o predisporre alcuni dispositivi atti a favorire la
ventilazione naturale degli ambienti interni (Tabella 4).
ai disperdimenti energetici per ventilazione e conduzione
hanno un peso rilevante sul fabbisogno energetico. Si deve
prestare attenzione ai venti da E e da SW.
Aprile - Ottobre
E’ importante l’approccio captativo e lo sfruttamento dei
sistemi solari passivi. Il guadagno diretto, indiretto, combinato
e un’opportuna attenzione ai disperdimenti energetici
per ventilazione e conduzione hanno un peso rilevante sul
fabbisogno energetico che può essere completamente soddisfatto
dai guadagni interni.
Maggio
Le condizioni climatiche tendono a quelle di comfort per
cui, se l’edificio è correttamente coibentato, sono sufficienti
i guadagni diretti, indiretti e gli apporti interni per supplire ai
disperdimenti energetici.
Giugno
I valori medi sono contenuti nella zona di comfort per cui
non è necessaria nessuna strategia strutturata, eccetto il
prevenire il surriscaldamento attraverso opportuni sistemi
di oscuramento e permettere la ventilazione degli ambienti,
tenendo conto che la direzione predominante del vento è
ancora SW.
Mese Tmin Tmedia Tmax U.R.
media
Tabella 4 - Strategie progettuali.
Area
Strategia
progettuale
Gennaio -7,2 1,7 5,8 89,9 A riduzione delle dispersioni, riscaldamento convenzionale SW
Febbraio -2,1 4,2 9,4 84,8 (A)-B riduzione delle dispersioni, sistemi solari attivi, collettori solari SW
Marzo 0,7 9,2 14,3 84,7 (B)-C riduzione delle dispersioni, sistemi solari passivi, captazione E
Aprile 6,3 14,0 18,7 78,9 (C)-D sistemi solari passivi, captazione, guadagni interni E
Maggio 11,2 17,9 21,2 70,0 D sistemi solari passivi, captazione, guadagni interni SW
Giugno 13,7 22,5 26,2 79,4 Zona comfort ventilazione, controllo dell’insolazione diretta SW
Luglio 16,5 25,1 27,1 62,1 (E) ventilazione, controllo dell’insolazione diretta SW
Agosto 14,4 24,1 27,3 76,9 E ventilazione, controllo dell’insolazione diretta E
Settembre 12,7 20,4 23,2 86,9 H ventilazione, massa termica E
Ottobre 5,9 14,0 18,2 92,7 C-(D) riduzioe dell dispersioni, sistemi solari passivi, captazione E
Novembre 0,5 7,9 14,6 89,6 (D)-C-(B) riduzione delle dispersioni, sistemi solari attivi, collettori solari SW
Dicembre -3,3 3,1 10,0 89,1 (A)-B riduzione delle dispersioni, riscaldamento convenzionale SW
Venti
dominanti
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Descrizione delle strategie
Gennaio
Si segue un approccio di tipo prettamente conservativo. E’
necessario utilizzare un sistema di riscaldamento convenzionale.
Si possono proteggere gli edifici con vegetazione
sempreverde dai venti di direzione SW e sarebbe buona
cosa aumentare la capacità coibente delle facciate esposte
a questi venti.
Febbraio - Dicembre
E’ importante l’approccio conservativo e l’uso di sistemi
solari attivi. Il sistema di riscaldamento convenzionale deve
essere supportato da collettori solari che possono coprire
una buona fetta del fabbisogno energetico. Si possono proteggere
gli edifici con vegetazione sempreverde dai venti di
direzione SW e sarebbe buona cosa aumentare la capacità
coibente delle facciate esposte a questi venti.
Marzo - Novembre
Comincia a diventare importante l’approccio captativo e risulta
utile lo sfruttamento dei sistemi solari passivi. Il guadagno
diretto, indiretto, combinato e un’opportuna attenzione
Luglio
Le condizioni di temperatura e di umidità relativa sono
elevate per cui è possibile ottenere condizioni di comfort
attraverso un’opportuna ventilazione e un efficace controllo
degli apporti solari attraverso opportuni sistemi di
oscuramento,tenendo conto che la direzione predominante
del vento è ancora SW.
Agosto
Le condizioni di temperatura e di umidità relativa
sono elevate per cui è possibile ottenere condizioni
di comfort attraverso un’opportuna ventilazione e un
efficace controllo degli apporti solari attraverso opportuni
sistemi di oscuramento. La direzione predominante
del vento è E.
Settembre
Si necessita di un involucro dotato di una sufficiente
massa termica in grado di sforzare e sfasare opportunamente
l’onda termica incidente. E’ poi consigliata la
ventilazione notturna degli ambienti interni. La direzione
predominante del vento è ancora E. □
QUALITÀ E AMBIENTE