neo-Eubios 73 - Valutazione del comfort adattivo in un edificio residenziale in assenza di climatizzazione estiva

a cura di Maria Cristina Azzolino, Gabriele Piccablotto, Andrea Gruppo, Beatrice Piccirillo.

Introduzione

L’obiettivo principale di questo articolo consiste nel valutare le condizioni di benessere termico in un edificioresidenzialeprivodiimpiantodiclimatizzazione estiva,secondoilmodellodicomfortadattivodefinito dalla norma UNI EN 15251:2008. L’edificio è stato oggetto di una campagna di misurazioni per valutare sperimentalmente le prestazioni dell’involucro opaco (misurazione della trasmittanza termica con metodo termoflussimetrico) e le condizioni termoigrometriche interne durante il periodo estivo. I risultati di misura acquisiti con le attività sperimentali sono stati successivamente impiegati come dati di ingresso e di confronto per la simulazione del comportamento termico estivo dell’edificio secondo il modello di calcolo dinamico implementato nel software ICARO, sviluppato da ANIT in conformità alla norma UNI EN ISO 52016-1:2018. La modellazione dell’involucro edilizio è stata condotta con i software PAN, ICARO e APOLLO, messi a punto da ANIT rispettivamente per l’analisi termica delle strutture opache, dei ponti termici, dell’involucro trasparente e relative schermature.

Il modello di comfort adattivo

Per le valutazioni di benessere termico si è utilizzato il parametro della temperatura operante unitamente al modello adattivo riportato dalla norma UNI EN 15251, che definisce un intervallo di comfort in funzione della temperatura esterna dell’aria. Il modello del comfort adattivo (adaptive comfort model) si basa sull’assunto che l’occupante di un ambiente non climatizzato tende ad adattarsi se può operare liberamente sul controllo del microclima in base alle proprie abitudini. Un individuo posto in un ambiente senza impianto di raffrescamento in periodi o in climi caldi, quindi, raggiunge più facilmente una condizione di acclimatazione se può agire, oppure ha la sensazione di poterlo fare, su elementi o sistemi di controlloingradodimodificareilmicroclimainterno (p.e. apertura di serramenti, ventilazione localizzata). Il concetto di acclimatazione dell’individuo è anche legato al fatto che il modello del comfort adattivo definisce la “temperatura di comfort” in relazione all’andamento “storico” delle condizioni climatiche esterne, in quanto non si limita al valore di temperaturaesternadiunsolo specifico giorno maconsidera la media ponderata dei valori di temperatura esterna che si sono verificati almeno nelle ultime due settimane precedenti al giorno di analisi (running mean temperature). L’algoritmo di calcolo della temperatura di comfort, mettendo in relazione la temperatura operante di un ambiente non climatizzato con le condizioni climatichemedieesterne,consentedidefinireunoopiù“fasce di comfort” basate sulla sensazione di accettabilità da parte dell’utenza. La UNI EN 15251 individua tre fasce o classi di comfort (elevato, medio, scarso) a cui corrispondono scostamenti tra temperatura di comfort e temperatura operante rispettivamente di ±2 °C, ±3 °C e ±4 °C. Nell’analisi di comfort adattivo, la rappresentazione grafica più diffusa prevede la sovrapposizione delle temperature operanti simulate in regime dinamico orario (oppure misurate) alla fascia di comfort definita secondo la UNI EN 15251. I campioni orari, rappresentati come punti nel grafico, se compresi nella fascia di comfort significano ore di benessere termico; quelli esterni alla fascia rappresentano ore di discomfort percepite come calde (o fredde) in relazione all’acclimatazione dell’utente con le condizioni climatiche esterne.

Il caso studio

Casa Cembo

Luogo: Saluggia (VC)

Progettisti: Studio di architettura Macrì-Mancuso

Anno realizzazione: 2012-2015

Tipologia edificio: edificio unifamiliare

Costruzione in paglia

Contesto: suburbano

Realizzazione: autocostruzione

Riscaldamento: stufa a legna

Altri impianti: solare termico e fotovoltaico

L’edificio unifamiliare, realizzato a Saluggia (VC), è costituito da pareti perimetrali realizzate con balle di paglia posizionate di piatto, per uno spessore di 48 cm, rivestite su entrambi i lati da uno strato di intonaco di 3.5 cm per uno spessore totale di circa 55 cm. Le balle di paglia sono inserite in un telaio in legno da 180 cm e i pilastri, che hanno una sezione trasversale ridotta rispetto allo spessore del muro (22 cm contro i 55 cm del muro), sono completamente immersi tra le fibre di paglia. I serramenti sono costituiti da telaio in pino lamellare e vetro a camera stratificato basso emissivo con intercapedine d’argon (valore medio ponderato di trasmittanza termica pari a 1.4 W/m 2 K). Come riportato nella Fig. 1 e Fig. 2, sul lato Sud dell’edificio è presente una serra solare.

Fig. 1 – Pianta dell’edificio.

Fig. 2 – Sezione dell’edificio.

Misurazioni sperimentali svolte in opera

L’analisidell’edificio siè basatasu unattento rilievo dell’involucro, supportato da indagini strumentali quali la termografia e la termoflussimetria svolte durante il periodo invernale. Latermografiahapermesso di valutare qualitativamente l’isolamento termico dell’edificio e l’eventuale presenza di ponti termici, fornendo indicazioni utili anche sul corretto posizionamento delle sonde termoflussimetriche. La misurazione in opera della trasmittanza termica si è svolta per una settimana nel periodo 23/01/2019 -30/01/2019secondoilmetodotermoflussimetrico definito dalla norma UNI ISO 9869-1:2015, al fine di caratterizzare sperimentalmente la prestazione di isolamento termico della parete perimetrale in paglia. In particolare, la strumentazione necessaria al rilievo è stata posizionata sulla parete nord-ovest, in corrispondenza dell’ambiente soggiorno, dopo aver verificato le seguenti condizioni:

- assenza di irregolarità termiche, come ponti termici e sorgenti di calore;

- assenza di irraggiamento solare diretto.

Sulla base dei dati termoflussimetrici acquisiti in campo, elaborati con il metodo della media mobile, è stato definito il valore sperimentale di trasmittanza termica pari a U = 0.16 W/m 2 K per la parete in esame, per poi essere impiegato come dato di ingresso nellasimulazione termofisica dell’edificio. Complementare alla caratterizzazione dell’involucro, durante il periodo estivo (luglio-agosto 2019) è stato condotto il monitoraggio delle condizioni termoigrometriche negli ambienti abitativi dell’edificio mediante l’impiego di datalogger in grado di acquisire valori orari di umidità relativa e temperatura dell’aria. Per i dati climatici esterni si è fatto riferimento ai valori di temperatura dell’aria e di irradianza globale (su piano orizzontale) acquisiti da ARPA Piemonte con la stazione meteorologica di Verolengo (TO), in quanto più vicina e climaticamente rappresentativa delsito in cui sorge l’edificio in esame. I dati climatici esterni di ARPA sono stati successivamente implementati nel database climatico del software ICARO, al fine dicondurre una simulazione basata su dati reali e riferiti a uno specifico periodo estivo in cui si è condotto il monitoraggio delle condizioni termoigrometriche interne. Questo ha permesso il confronto diretto tra dati misurati e dati simulati di temperatura dell’aria, oggetto di analisi nei paragrafi successivi.

Simulazione dinamica del comportamento termico estivo con software ICARO

Per studiare nel modo più appropriato il comportamento estivo di un edificio è opportuno utilizzare modelli di calcolo dinamici, in quanto i vantaggi dei metodi dinamici rispetto ai semi-stazionari sono noti e ampiamente trattati anche su questa rivista. Per la simulazione dinamica del caso di studio, svolta con ICARO, si è impiegato un data-set reale di condizioni climatiche esterne acquisite da ARPA Piemonte nel periodo estivo preso in esame (luglioagosto 2019), come riportato nel paragrafo precedente. In particolare, il periodo estivo analizzato è risultato essere dal 18/07/2019 al 31/08/2019, caratterizzato dalla presenza degli occupanti nei giorni dal 18/07 al 11/08, mentre per i restanti giorni dal 12/08 al 31/08 l’edificio non è risultato occupato. Le due differenti condizioni di occupazione, riscontrabili anche dalla lettura dei dati misurati di temperatura interna dell’aria (Fig. 3), sono state considerate in ICARO perdefinire ilprofilo di ventilazione degli ambienti abitativi, riassumibile nel modo seguente:

- per il periodo occupato, si è ipotizzato un ricambio orario di 1 vol/h per il periodo diurno (h 9:00 - 22:00) e di 0.3 vol/h per il periodo notturno (h. 23:00 - 8:00);

- per il periodo non occupato, si è ipotizzato un ricambio orario nullo sia per il periodo diurno sia notturno.

Il software PAN è stato impiegato al fine di caratterizzare in modo corretto l’involucro opaco dell’edificio, soprattutto per i parametri dinamici utili alla simulazione con ICARO (trasmittanza periodica, sfasamento, attenuazione, capacità termica periodica); per le pareti perimetrali in paglia si è considerato il valore sperimentale di trasmittanza termica misurata in opera. In modo analogo, il software IRIS ha permesso l’analisi ad elementi finiti dei ponti termici individuati nell’edificio reale, mentre APOLLO è servito avalutare le prestazioni termiche dei componenti trasparenti e del sistema di schermatura della serra solare.

Si ricorda che l’edificio è privo di impianto di climatizzazione estiva (condizione di “free running”), pertanto la ventilazione naturale e la presenza della serra solare hanno assunto un ruolo fondamentale nella simulazione dinamica oraria.

Confronto dei risultati ottenuti dalle simulazioni e dalle misurazioni

Il grafico di Fig. 3 riporta il confronto tra gli andamenti di temperatura dell’aria interna misurata con datalogger e simulata con ICARO, per il periodo estivo preso come riferimento (18/07/2019 - 31/08/2019).

Dall’analisi del profilo di temperatura misurata, è evidente l’influenza del comportamento dell’utenza sul microclima interno. Nel primo periodo in condizioni di edificio occupato (18/07 - 11/08), le oscillazioni di temperatura giorno-notte risultano significative e imputabili all’apertura dei serramenti da parte dell’utenza. Nel secondo periodo in condizioni di edificio senza occupanti (12/08 - 31/08), l’assenza di ventilazione naturale dovuta al mantenimento dei serramenti chiusi comporta la perdita del raffrescamento notturno (oscillazioni giorno-notte) con un trend crescente della temperatura interna. Considerando il profilo di temperatura simulata, per il primo periodo (edificio occupato) i campioniorari risultano confrontabili con il profilo di temperatura misurata sia come scarto medio sull’intero periodo suddetto ( DT = 1.2 °C) sia come attenuazione e sfasamento termico sui singoli giorni. Nell’analisi di confronto, le eventuali differenze sono da attribuire anche all’incertezza di misura dei sensori di temperatura dei datalogger (±0.5 °C) e all’incertezza del metodo di calcolo dinamico orario introdotto dalla UNI EN ISO 52016-1. Il confronto tra i due profili di temperatura viene a mancare invece a partire dal secondo periodo (edificio non occupato), quando l’andamento simulato segue un trend progressivamente decrescente e continua a presentare oscillazioni giorno-notte, anche se di ampiezza inferiore rispetto al periodo precedente. In questo caso la differenza tra i due profili può essere imputabile a più cause, tra le quali si individuano: - difficoltà nel definire il profilo di ventilazione in modo attendibile rispetto al comportamento reale dell’utenza, in particolare per la modalità “free running” degli ambienti abitativi e per la gestione della serra solare; - difficoltàneldefinire ilprofilo di utilizzo del sistema di schermatura in dotazione alla serra solare; - valutazione limitata alla sola temperatura dell’aria, in quanto per semplicità di misurazione non si è assunta la temperatura operante poiché considera anche lo scambio termico per irraggiamento.

Fig. 3 – Andamento misurato e simulato di temperatura dell’aria interna.

Proseguendo nell’analisi dei risultati ottenuti dalla simulazione con ICARO, si è giunti alla valutazione del comfort termico secondo il modello adattivo, come riportato in Fig. 4.

La nuvola di punti riportata nel suddetto grafico rappresenta l’insieme di valori orari di temperatura operante, calcolata da ICARO come media della zona termica corrispondente agli ambienti abitativi del piano terra, rispetto ai valori di temperatura esterna dell’aria per l’intero periodo estivo di riferimento. Considerando la completa assenza di un impianto di ventilazione meccanica (free running) e le caratteristiche costruttive dell’edificio, come requisito di “fascia di comfort” si è fatto riferimento alla classe III, individuata dalla UNI EN 15251 con uno scostamento di ±4 °C rispetto alla temperatura ideale definita con il modello adattivo. Per una sintesi dei risultati ottenuti, si riporta in Tab. 1 l’output numerico di ICARO con le percentuali di campioni orari di temperatura operante al di fuori della classe III e lo scostamento medio in [°C] dalla temperatura di comfort.

Dai risultati ottenuti ne consegue il soddisfacimento delle condizioni di comfort termico per la quasi totalità delle ore comprese nel periodo estivo esaminato. In particolare, mettendo in relazione il grafico di Fig. 4 con gli andamenti temporali di Fig. 3, le poche ore di discomfort (verso una sensazione di freddo) sono da imputare a un comportamento anomalo del modello simulato durante il periodo “non occupato” dell’edificio. La buona concordanza tra dati misurati e simulati nel periodo precedente, invece, consente di affermare il raggiungimento delle condizioni di comfort nell’edificio reale quando occupato dall’utenza.

Fig. 4 – Risultati di comfort termico adattivo (conduzione dell’edificio in free running).

Tab. 1 – Percentuali di campioni orari di temperatura operante in condizioni di comfort/discomfort.

Conclusioni

In questo articolo sono presentati i risultati di simulazione in regime dinamico delle condizioni di comfort termico estivo per un edificio residenziale unifamiliare in modalità “free running”. Con l’impiego del software ICARO il benessere dell’utenza è stato valutato secondo il modello del comfort adattivo descritto nella norma UNI EN 15251. I risultati di simulazione sono stati confrontati con il profilo di temperatura interna misurata sperimentalmente nell’edificio realizzato. Questo confronto ha consentito di individuare quali parametri di input risultano critici da definire previsionalmente affinché la simulazione termo-energetica sia il più possibile attendibile. Tra tutti, questo primo studio evidenzia l’importanza di individuare correttamente i profili di ventilazione naturale, in modo particolare per un edificio senza raffrescamento attivo. Di pari importanza è anche conoscere il comportamento dell’utenza (p.e. sulle modalità di apertura dei serramenti per la ventilazione naturale) in quanto assume un ruolo fondamentale nell’applicazione del modello di comfort adattivo. Inoltre, per quanto lo studio presentato sia ancora da approfondire in relazione al caso esaminato, si può affermare come la simulazione termoenergetica dinamica, se tarata su dati sperimentali acquisiti con monitoraggi in situ, può rappresentare un utile strumento di valutazione delle prestazioni di un edificio in fase di esercizio e non solo durante il progetto. La simulazione diventa quindi strumento virtuale di misurazione delle condizioni di comfort per coprire periodi di osservazione più estesi negli edifici in esercizio, risolvendo criticità operative ed economiche spesso associate a campagne di misura prolungate nel tempo.