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

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Q UALITÀ E AMBIENTE<br />

<strong>Il</strong> <strong>modello</strong> <strong>climatico</strong>: <strong>studiamo</strong><br />

l’ambiente <strong>per</strong> rispettarlo.<br />

Luca Talamona<br />

L’AMBIENTE 3/05<br />

52<br />

ABSTRACT<br />

The climatic model: how to study the environment<br />

in order to respect it<br />

A precise knowledge of geographical and climatic information<br />

about the location which needs to be analyzed is fundamental in<br />

order to project a building system.<br />

This building system will be able to tap, preserve and use the<br />

energy coming from the external thermal stresses.<br />

In this article I would like to describe the first step of the survey<br />

that aims at identifying those prescribing, legislative and manual<br />

sources which offer the agreed climatic data. These data could<br />

be useful in order to project both a building cover and a plant<br />

engineering component.<br />

The data which will be presented can be divided into three<br />

categories:<br />

1. hourly average climatic data <strong>per</strong> day;<br />

2. daily average climatic data <strong>per</strong> month;<br />

3. project data.<br />

Thanks to the first ones, it will be easier to obtain a distribution of:<br />

• the average hourly values of the external air tem<strong>per</strong>ature;<br />

• the related humidity;<br />

• the winds condition;<br />

• the rainwater concentrations.<br />

The previously data will make certain planning strategies<br />

easier.<br />

The second data concern both the calculation of the energetic<br />

requirements and the hydrometric examinations.<br />

The last data concern the verification of the minimum and<br />

maximum values’ exceeding of specific quantities and the<br />

measurement ( concerning the thermal power) of the heating or<br />

cooling systems.<br />

Per la progettazione di un organismo edilizio energeticamente<br />

consapevole, dotato quindi di sistemi capaci di captare,<br />

conservare ed utilizzare l’energia proveniente dalle<br />

sollecitazioni termiche esterne, occorre avere una conoscenza<br />

completa e strutturata dei dati di natura geografica<br />

e climatica caratterizzanti il sito in cui si vuole intervenire.<br />

Questa prima fase di indagine mira all’individuazione di<br />

quelle fonti normative e legislative o manualistiche che offrono<br />

i dati climatici convenzionali utili <strong>per</strong> la progettazione<br />

dell’involucro edilizio e della componente impiantistica.<br />

I dati che saranno presentati possono essere raggruppati<br />

in tre categorie:<br />

• dati climatici orari medi giornalieri;<br />

• dati climatici giornalieri medi mensili;<br />

• dati di progetto.<br />

I primi <strong>per</strong>mettono di ottenere sia una distribuzione dei<br />

valori medi orari della tem<strong>per</strong>atura dell’aria esterna e dell’umidità<br />

relativa, sia lo stato dei venti e le concentrazioni di<br />

Località<br />

Altezza sul livello<br />

del mare (m)<br />

Tabella 1 - Caratteristiche geografiche.<br />

Latitudine<br />

Longitudine<br />

Pieve Emanuele (MI) 97 45° 20’ 30’’ 09° 11’ 43’’<br />

Milano 122 45° 28’ 38’’ 09° 10’ 53’’<br />

acqua piovana cadute, <strong>per</strong>mettendo la scelta di opportune<br />

strategie progettuali.<br />

I secondi riguardano il calcolo dei fabbisogni energetici e le<br />

verifiche idrometriche ed infine, i terzi, la verifica del su<strong>per</strong>amento<br />

di valori massimi o minimi di specifiche grandezze<br />

e il dimensionamento, nei termini della potenza termica, dei<br />

sistemi di riscaldamento o raffreddamento.<br />

Dati generali relativi al sito e al clima<br />

Si procede con l’individuazione delle caratteristiche geografiche<br />

del sito in funzione del comune di appartenenza<br />

(www.comuni-italiani.it). Si presentano anche i dati relativi<br />

al capoluogo di provincia più vicino al comune in esame,<br />

poiché saranno utili nella determinazione di alcune grandezze.<br />

Consideriamo, ad esempio, il Comune di Pieve<br />

Emanuele, in provincia di Milano (Tabella 1).<br />

Dati climatici orari medi giornalieri<br />

Questo tipo di dati è preso dal volume pubblicato dal CNR<br />

“Dati climatici <strong>per</strong> la progettazione edile ed impiantistica”<br />

in relazione alla stazione meteorologica più vicina al sito in<br />

esame e nasce come media statistica dei rilevamenti o<strong>per</strong>ati<br />

in un arco temporale di venti anni.<br />

Queste informazioni mostrano come si distribuiscano le<br />

Figura 1 - Diagramma di Olgyay, dati orari annuali.<br />

QUALITÀ E AMBIENTE


Figura 2 - Diagramma di Olgyay, giorni medi mensili.<br />

Figura 3 - Frequenza e direzione di provenienza predominante su base annua.<br />

singole combinazioni orarie di tem<strong>per</strong>atura dell’aria esterna<br />

ed umidità relativa in relazione alle condizioni di comfort<br />

termoigrometrico stabilite tramite il metodo di Fanger.<br />

La rappresentazione avviene attraverso il diagramma detto<br />

di Olgyay (Figura 1).<br />

aprile e tra agosto ed ottobre (Figura 4).<br />

Per concludere il quadro <strong>climatico</strong> viene presentato l’andamento<br />

delle precipitazioni medie mensili (Figura 5).<br />

Questi dati si riferiscono alla<br />

stazione meteorologica di Milano<br />

Linate. Si nota come il clima<br />

locale è tem<strong>per</strong>ato, compreso tra<br />

un minimo di 10 °C sotto zero e<br />

un massimo di 34°C. Tuttavia, la<br />

distribuzione delle combinazioni<br />

di valori tende ad addensarsi in<br />

prossimità di alti valori di umidità<br />

relativa.<br />

In particolare, se si elaborano<br />

i dati di partenza in modo da<br />

avere una distribuzione relativa<br />

ai giorni medi mensili, si possono<br />

ottenere delle informazioni aggiuntive<br />

(Figura 2).<br />

In sostanza si nota, definita la<br />

zona di comfort in un dominio<br />

di tem<strong>per</strong>ature compreso tra<br />

18 e 22 °C e di umidità relativa<br />

tra il 30 e 65%, che nel mese di<br />

maggio le condizioni climatiche<br />

esterne sono tendenti a quelle<br />

ritenute di comfort.<br />

Risulta utile conoscere qual è il<br />

comportamento dei venti dominanti<br />

in funzione della direzione<br />

predominante, della frequenza e<br />

della velocità.<br />

Da un’analisi su base annua si<br />

evince che le direzioni predominanti<br />

sono sud-ovest ed est<br />

(Figura 3).<br />

Più nello specifico, guardando i<br />

dati mensili, si vede come sudovest<br />

sia predominante tra novembre<br />

e febbraio e tra maggio<br />

e luglio, mentre est in marzo ed<br />

Figura 4 - Frequenza e direzione di provenienza predominante su base mensile.<br />

L’AMBIENTE 3/05<br />

53<br />

QUALITÀ E AMBIENTE


Q UALITÀ E AMBIENTE<br />

Figura 5 - Andamento delle precipitazioni medie mensili.<br />

Località Gradi giorno (GG) Zona climatica<br />

(-)<br />

Tabella 2 - Caratteristiche climatiche.<br />

Periodo annuale di<br />

riscaldamento<br />

Dati climatici giornalieri medi orari<br />

<strong>Il</strong> primo passo è quello di individuare alcuni parametri che<br />

<strong>per</strong>mettono di ricavare i dati climatici giornalieri medi orari<br />

secondo la UNI 10349. A tal fine si ricorre al DPR 26-8-1993<br />

n. 412 “Regolamento recante norme <strong>per</strong> la progettazione,<br />

l’installazione, l’esercizio e la manutenzione degli impianti<br />

termici degli edifici ai fini del contenimento dei consumi di<br />

energia, in attuazione dell’art. 4, comma 4, della L. 9 gennaio<br />

1991, n. 10”. Questo decreto fornisce, <strong>per</strong> ogni località,<br />

il valore dei gradi giorno (definito come: la somma, estesa<br />

a tutti i giorni di un <strong>per</strong>iodo annuale convenzionale di riscaldamento,<br />

delle sole differenze positive giornaliere tra la<br />

tem<strong>per</strong>atura dell’ambiente, convenzionalmente fissata a 20<br />

gradi centigradi e la tem<strong>per</strong>atura media esterna giornaliera;<br />

l’unità di misura utilizzata è il grado giorno 1 ) e conseguentemente<br />

la zona climatica (Tabella 2).<br />

In funzione della destinazione d’uso degli edifici componenti<br />

il complesso della “corte solidale”<br />

Durata giornaliera<br />

di attivazione<br />

Pieve Emanuele (MI) 2.404 E 15-ott/15-apr 14h<br />

Milano 2.404 E 15-ott/15-apr 14h<br />

si ricavano le categorie prevalenti<br />

che sono: E.1(1)/E.1(2); E.4(1)-<br />

E.7; E.8.<br />

A questo punto si può passare alla<br />

UNI 10349 che fornisce, come già<br />

detto, i dati climatici convenzionali<br />

necessari al calcolo dei fabbisogni energetici e alle verifiche<br />

idrometriche relativi al comune scelto, ottenuti da un’interpolazione<br />

dei dati relativi al capoluogo di riferimento.<br />

Questi dati vengono presentati insieme all’elaborazione dei<br />

dati orari precedentemente individuati, in modo da offrire la<br />

possibilità di un confronto diretto tra le due fonti.<br />

Figura 6 - Tem<strong>per</strong>ature medie mensili dell’aria esterna.<br />

Figura 8 - Irradiazione solare giornaliera media mensile totale.<br />

L’AMBIENTE 3/05<br />

54<br />

Figura 7 - Umidità relativa media mensile dell’aria esterna.<br />

Questo dato <strong>per</strong>mette di valutare qual è la quantità d’acqua<br />

piovana media attesa nel corso dell’anno.<br />

La conoscenza di queste caratteristiche climatiche su base<br />

mensile, mediate con le informazioni offerte dalla norma UNI<br />

10349, <strong>per</strong>mette di definire opportune strategie progettuali.<br />

Figura 9 - Irradiazione solare giornaliera media mensile diretta.<br />

QUALITÀ E AMBIENTE


Q UALITÀ E AMBIENTE<br />

L’analisi dei dati climatici deve orientare verso l’applicazione<br />

di una logica progettuale rispetto ad un’altra ed un metodo<br />

semplice che <strong>per</strong>mette di individuare le strategie <strong>per</strong>seguibili<br />

<strong>per</strong> la specifica zona climatica è il diagramma bio<strong>climatico</strong><br />

di Milne-Givoni. Si fa notare che le logiche progettuali<br />

consigliate durante la stagione invernale ed in quella estiva<br />

generalmente sottendono soluzioni contrastanti. Per poter<br />

coniugare i due aspetti è importante che l’edificio sia concepito<br />

come un sistema in grado di regolare i flussi energetici<br />

in modo dinamico, nel corso del giorno e dell’anno.<br />

Sul diagramma in figura 12 si riportano <strong>per</strong> ogni mese la<br />

tem<strong>per</strong>atura media, minima e massima e l’umidità relativa<br />

media mensile dell’aria esterna, considerata costante <strong>per</strong> le<br />

tre tem<strong>per</strong>ature.<br />

Figura 10 - Irradiazione solare giornaliera media mensile diffusa.<br />

Le prime informazioni che si presentano riguardano l’andamento<br />

della tem<strong>per</strong>atura dell’aria esterna (Figura 6).<br />

Come si vede, i valori ottenuti usando il metodo proposto<br />

dalla norma sono più alti <strong>per</strong> tutti i mesi dell’anno, presentando<br />

una differenza massima in corrispondenza dei mesi<br />

estivi.<br />

Viene anche analizzato il grafico<br />

(figura 7) riguardante l’umidità<br />

relativa media mensile.<br />

Si riporta di seguito un prospetto in cui si presentano i dati di<br />

input del diagramma e l’indicazione delle zone corrispondenti.<br />

Località<br />

Tabella 3 - Dati di progetto.<br />

(°C) (°C) (w/m 2 )<br />

Milano -5,0 6,8 68 183<br />

(-)<br />

Si passa ora ai dati relativi all’irradiazione<br />

solare giornaliera media<br />

mensile, prima presentando<br />

i valori totali poi le due componenti<br />

diretta e diffusa (Figure 8,<br />

9, 10 e 11)<br />

Dati di progetto<br />

I dati di progetto <strong>per</strong>mettono il dimensionamento<br />

degli impianti di<br />

riscaldamento o raffrescamento.<br />

In particolare essi sono riportati<br />

dalla normativa UNI. Dalla UNI<br />

5364 si ricava la tem<strong>per</strong>atura<br />

minima di progetto e<br />

dalla UNI 10379 il valore medio<br />

stagionale della tem<strong>per</strong>atura<br />

dell’aria esterna , il valore<br />

medio stagionale dell’irradianza<br />

sul piano orizzontale calcolato<br />

nei mesi interamente compresi<br />

nella stagione di riscaldamento<br />

e il numero dei giorni della<br />

stagione di riscaldamento<br />

(Tabella 3).<br />

<strong>Il</strong> diagramma<br />

bio<strong>climatico</strong> e le<br />

strategie progettuali<br />

<strong>Il</strong> processo progettuale, quindi,<br />

non è più indipendente dalle<br />

condizioni contestuali, ma ne è<br />

fortemente influenzato.<br />

Figura 11 - Irradiazione solare giornaliera media mensile su su<strong>per</strong>fici verticali.<br />

L’AMBIENTE 3/05<br />

55<br />

QUALITÀ E AMBIENTE


Q UALITÀ E AMBIENTE<br />

Figura 12 - Diagramma bio<strong>climatico</strong> di Milne-Givoni <strong>per</strong> la località in esame.<br />

Per una scelta oculata della soluzione progettuale si pensa<br />

che sia opportuno indicare la direzione del vento prevalente<br />

mensile <strong>per</strong> poter schermare maggiormente alcune facce<br />

dell’edificio o predisporre alcuni dispositivi atti a favorire la<br />

ventilazione naturale degli ambienti interni (Tabella 4).<br />

ai dis<strong>per</strong>dimenti energetici <strong>per</strong> ventilazione e conduzione<br />

hanno un peso rilevante sul fabbisogno energetico. Si deve<br />

prestare attenzione ai venti da E e da SW.<br />

Aprile - Ottobre<br />

E’ importante l’approccio captativo e lo sfruttamento dei<br />

sistemi solari passivi. <strong>Il</strong> guadagno diretto, indiretto, combinato<br />

e un’opportuna attenzione ai dis<strong>per</strong>dimenti energetici<br />

<strong>per</strong> ventilazione e conduzione hanno un peso rilevante sul<br />

fabbisogno energetico che può essere completamente soddisfatto<br />

dai guadagni interni.<br />

Maggio<br />

Le condizioni climatiche tendono a quelle di comfort <strong>per</strong><br />

cui, se l’edificio è correttamente coibentato, sono sufficienti<br />

i guadagni diretti, indiretti e gli apporti interni <strong>per</strong> supplire ai<br />

dis<strong>per</strong>dimenti energetici.<br />

Giugno<br />

I valori medi sono contenuti nella zona di comfort <strong>per</strong> cui<br />

non è necessaria nessuna strategia strutturata, eccetto il<br />

prevenire il surriscaldamento attraverso opportuni sistemi<br />

di oscuramento e <strong>per</strong>mettere la ventilazione degli ambienti,<br />

tenendo conto che la direzione predominante del vento è<br />

ancora SW.<br />

Mese Tmin Tmedia Tmax U.R.<br />

media<br />

Tabella 4 - Strategie progettuali.<br />

Area<br />

Strategia<br />

progettuale<br />

Gennaio -7,2 1,7 5,8 89,9 A riduzione delle dis<strong>per</strong>sioni, riscaldamento convenzionale SW<br />

Febbraio -2,1 4,2 9,4 84,8 (A)-B riduzione delle dis<strong>per</strong>sioni, sistemi solari attivi, collettori solari SW<br />

Marzo 0,7 9,2 14,3 84,7 (B)-C riduzione delle dis<strong>per</strong>sioni, sistemi solari passivi, captazione E<br />

Aprile 6,3 14,0 18,7 78,9 (C)-D sistemi solari passivi, captazione, guadagni interni E<br />

Maggio 11,2 17,9 21,2 70,0 D sistemi solari passivi, captazione, guadagni interni SW<br />

Giugno 13,7 22,5 26,2 79,4 Zona comfort ventilazione, controllo dell’insolazione diretta SW<br />

Luglio 16,5 25,1 27,1 62,1 (E) ventilazione, controllo dell’insolazione diretta SW<br />

Agosto 14,4 24,1 27,3 76,9 E ventilazione, controllo dell’insolazione diretta E<br />

Settembre 12,7 20,4 23,2 86,9 H ventilazione, massa termica E<br />

Ottobre 5,9 14,0 18,2 92,7 C-(D) riduzioe dell dis<strong>per</strong>sioni, sistemi solari passivi, captazione E<br />

Novembre 0,5 7,9 14,6 89,6 (D)-C-(B) riduzione delle dis<strong>per</strong>sioni, sistemi solari attivi, collettori solari SW<br />

Dicembre -3,3 3,1 10,0 89,1 (A)-B riduzione delle dis<strong>per</strong>sioni, riscaldamento convenzionale SW<br />

Venti<br />

dominanti<br />

L’AMBIENTE 3/05<br />

56<br />

Descrizione delle strategie<br />

Gennaio<br />

Si segue un approccio di tipo prettamente conservativo. E’<br />

necessario utilizzare un sistema di riscaldamento convenzionale.<br />

Si possono proteggere gli edifici con vegetazione<br />

sempreverde dai venti di direzione SW e sarebbe buona<br />

cosa aumentare la capacità coibente delle facciate esposte<br />

a questi venti.<br />

Febbraio - Dicembre<br />

E’ importante l’approccio conservativo e l’uso di sistemi<br />

solari attivi. <strong>Il</strong> sistema di riscaldamento convenzionale deve<br />

essere supportato da collettori solari che possono coprire<br />

una buona fetta del fabbisogno energetico. Si possono proteggere<br />

gli edifici con vegetazione sempreverde dai venti di<br />

direzione SW e sarebbe buona cosa aumentare la capacità<br />

coibente delle facciate esposte a questi venti.<br />

Marzo - Novembre<br />

Comincia a diventare importante l’approccio captativo e risulta<br />

utile lo sfruttamento dei sistemi solari passivi. <strong>Il</strong> guadagno<br />

diretto, indiretto, combinato e un’opportuna attenzione<br />

Luglio<br />

Le condizioni di tem<strong>per</strong>atura e di umidità relativa sono<br />

elevate <strong>per</strong> cui è possibile ottenere condizioni di comfort<br />

attraverso un’opportuna ventilazione e un efficace controllo<br />

degli apporti solari attraverso opportuni sistemi di<br />

oscuramento,tenendo conto che la direzione predominante<br />

del vento è ancora SW.<br />

Agosto<br />

Le condizioni di tem<strong>per</strong>atura e di umidità relativa<br />

sono elevate <strong>per</strong> cui è possibile ottenere condizioni<br />

di comfort attraverso un’opportuna ventilazione e un<br />

efficace controllo degli apporti solari attraverso opportuni<br />

sistemi di oscuramento. La direzione predominante<br />

del vento è E.<br />

Settembre<br />

Si necessita di un involucro dotato di una sufficiente<br />

massa termica in grado di sforzare e sfasare opportunamente<br />

l’onda termica incidente. E’ poi consigliata la<br />

ventilazione notturna degli ambienti interni. La direzione<br />

predominante del vento è ancora E. □<br />

QUALITÀ E AMBIENTE

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