Prof. Rossano Albatici

La definizione dei parametri di benessere all'interno degli edifici è un tema complesso e tuttora non univocamente definito.
Complesso perché la sensazione di benessere è dovuta a una molteplicità di fattori, fra loro strettamente correlati e interdipendenti, di difficile esemplificazione tramite formule efficaci che permettano anche un'analisi predittiva, e dipende inoltre da parametri non solamente di tipo fisico, ma anche ambientale e sociale. La stessa organizzazione mondiale della sanità, infatti, definisce la salute come "uno stato di completo benessere, fisico, mentale e sociale e non semplicemente l'assenza di malattie o di infermità". Il benessere può quindi essere considerato come quella condizione psicofisica in cui un individuo esprime soddisfazione nei confronti del microclima, ossia non ha particolari sensazioni di disagio nello svolgimento delle proprie attività all'interno di uno spazio confinato. Ma cosa vuol dire esprimere soddisfazione? Come si definisce una condizione di disagio? E quali sono gli aspetti principali da prendere in considerazione? In linea del tutto generale, tralasciando i fattori ambientali considerati dal punto di vista socio-economico e considerando solo quelli relativi alle condizione fisico-chimiche e biologiche dell'ambiente in cui un individuo si trova, lo studio del benessere può essere ricondotto a sei aspetti principali: benessere tattile, termoigrometrico, acustico, visivo, respiratorio-olfattivo e la qualità dell'aria interna (indoor air quality).

La definizione di parametri universalmente validi per definire le condizioni di comfort non è semplice ed è tutt'oggi oggetto di studio. Il comfort, infatti, non è una grandezza univocamente definibile, ma è una sensazione personale, e come tale essa varia da persona a persona (per sesso, età e condizione di salute).
Inoltre, gli studi al riguardo sono eseguiti considerando i vari parametri concernenti il benessere come separati fra loro, cosa che in realtà non è, in quanto il grado di salute psicofisico di un individuo è determinato dalla interrelazione di più aspetti diversi che modificano, tutti assieme, sensazioni e comportamenti (si pensi allo stato di disagio che si può avere quando ci si trova in un ambiente e, nonostante un'acustica perfetta e una temperatura ottimale, l'aria è
troppo secca o troppo umida).
I soggetti sono inoltre considerati sani ed esenti da violenti stimoli emozionali, il che è una forte semplificazione:
l'individuo malato recepisce gli stimoli esterni in modo completamente alterato, così come l'individuo soggetto a emozioni forti.
Per definire le condizioni di benessere, quindi, si ricorre a semplificazioni notevoli, rifacendosi a esperienze di tipo statistico condotte in condizioni "di laboratorio", spesso lontane dalla realtà di tutti i giorni ma con parametri al contorno controllabili e valutabili singolarmente.

Il benessere termoigrometrico nello spazio confinato

Negli ultimi cinquant'anni sono stati svolti una serie di studi a livello sperimentale per ricondurre la definizione di comfort termoigrometrico, ossia le condizioni di soddisfazione rispetto alla temperatura e all'umidità in un determinato ambiente, a indici microclimatici semplici, efficaci e di immediata comprensione.
Sono stati introdotti diversi indici differenti e sempre più raffinati, fra cui la Temperatura Effettiva e la Nuova Temperatura Effettiva, che però non tenevano conto in maniera adeguata dell'influenza reciproca che i vari parametri che entrano in gioco hanno fra di loro. Negli anni '60 e '70, il prof. Fanger, a seguito di numerose analisi statistico-sperimentali su un elevato numero di individui, ha definito un'equazione del benessere che prende in considerazione solamente quattro grandezze fondamentali: la temperatura dell'aria, la temperatura media radiante, l'umidità relativa
e la velocità dell'aria. Il problema del benessere viene così ricondotto a dei semplici indici di tipo statistico, detti indici di discomfort introdotti anche in Italia dalla norma UNI EN ISO 7730/97 [1], che sono il PMV - voto medio previsto e il PPD - percentuale degli insoddisfatti, che si possono calcolare in modo semplice una volta definito il tipo di attività che l'utente sta compiendo, il suo abbigliamento e il microclima dell'ambiente dove si trova.
Il PMV indica il voto (da -3=molto freddo a +3=molto caldo) che un campione omogeneo di persone darebbe al microclima di un determinato ambiente quando soggetto a una certa attività; la normativa stabilisce che si hanno condizioni di benessere qualora il voto sia compreso fra -0.5 e +0.5. Il PPD indica invece la percentuale statistica di insoddisfatti che ci sarebbe all'interno dello stesso campione di persone; la normativa stabilisce che si è in condizioni di benessere qualora il PPD sia minore del 10%, ossia si ammette implicitamente che 10 persone su 100 non siano soddisfatte del microclima in un determinato contesto ambientale. Il valore del PPD viene inoltre corretto per tenere conto di possibili disagi locali causati da disuniformità di temperatura o delle fluttuazioni di velocità dell'aria, che provocano differenti condizioni di scambio termico con l'ambiente nelle varie zone del corpo umano e, quindi, possibili
sensazioni di disagio.

Recentemente, la forte crescita nella progettazione di edifici ecosostenibili basati sull'uso della ventilazione naturale per garantire temperature estive accettabili e un adeguato ricambio d'aria minimizzando il ricorso a fonti energetiche non rinnovabili, sta comportando nella comunità scientifica internazionale un ripensamento nella definizione degli indici di discomfort. Gli indici di Fanger così come definiti, infatti, danno risultati apprezzabili solamente per edifici condizionati o misti, ossia dove l'influenza dell'impianto per il controllo della temperatura interna è fondamentale. Nel
2002, due articoli di Brager e de Dear [2] e di Humphreys e Nicols [3] hanno introdotto il criterio di comfort adattivo: si ritiene infatti che quando interviene un cambiamento del microclima che causa una sensazione di discomfort, una persona reagisce in un modo che tende a ripristinare la sensazione di comfort, ossia si adatta alle condizioni climatiche interne all'edificio in modo da migliorare la propria percezione di benessere sia con meccanismi di tipo involontario sia volontario.
Secondo questa teoria, la temperatura di comfort percepita dipende strettamente dalla temperatura esterna dell'aria, e c'è un limite di accettabilità del 90% quando la temperatura dell'ambiente interno si discosta di 2.5 °C rispetto a quella teorica di comfort. Da un'applicazione di questa teoria al clima italiano si è notato che in molte parti del nostro paese la temperatura di comfort estiva in edifici naturalmente ventilati è ben superiore al limite dei 26°C prescritti dalle normative che si rifanno al modello di Fanger, e ciò può condurre a un sensibile risparmio energetico in
termini di energia non utilizzata per l'eccessivo condizionamento degli ambienti interni degli edifici.

Studi per l'ottimizzazione del comfort in edifici bioclimatici a prevalente impiego di legno

In questo ambito, presso il Laboratorio di Progettazione Edilizia dell'Università degli Studi di Trento è in corso di svolgimento un'attività di ricerca volta a proporre indicazioni pratiche che orientino le scelte dei progettisti verso una corretta progettazione di edifici a prevalente impiego di legno e dotati di sistemi solari passivi, con particolare attenzione al risparmio energetico e alle effettive condizioni di comfort garantite negli spazi confinati durante i cicli giornaliero e stagionale.
In particolare, le fasi principali della ricerca possono essere come di seguito riassunte:
1.definizione di una metodologia standard di monitoraggio dei parametri microambientali interni al fine di valutare l'efficienza dei sistemi solari passivi in regimi invernale ed estivo, col calcolo degli indici di discomfort PMV e PPD secondo la UNI EN ISO 7730/97 e con il calcolo della temperatura di comfort secondo la teoria del comfort adattivo;
2. monitoraggio termoigrometrico di edifici campione sia in regime invernale sia estivo secondo la metodologia
definita in precedenza;
3. prima verifica delle reali prestazioni degli edifici tramite un rilievo termografico in modo da valutare l'effettivo valore di trasmittanza termica dei componenti edilizi in una situazione di uso reale;
4. simulazione del comportamento termoigrometrico degli edifici con programmi specifici di modellazione sia in regime stazionario sia in regime variabile che tengano conto delle effettive condizioni al contorno (per esempio Ecotect, Design Builder ed EnergyPlus);
5. calibrazione critica del modello in modo da tenere in considerazione l'effettivo utilizzo degli edifici da parte degli utenti secondo i monitoraggi effettuati, con particolare attenzione all'uso dei sistemi di oscuramento e alla ventilazione; una volta calibrato, il modello può essere ritenuto la copia virtuale "esatta" dell'edificio;
6. proposte di eventuali modifiche da apportare all'edificio e ai sistemi passivi a livello di forma, dimensione, materiali utilizzati ed esposizione, utilizzando i modelli virtuali (data spesso l'ovvia l'impossibilità di intervenire pesantemente in edifici già costruiti e in uso) al fine di migliorare l'efficienza e il grado di comfort interno seguendo le indicazioni desunte dai rilievi in sito e dai colloqui effettuati con gli utenti.
In questo modo è possibile definire uno strumento operativo utile sia per i progettisti sia per le amministrazioni di enti pubblici e privati, per operare scelte nella direzione di una progettazione corretta dell'edificio e dei sistemi solari passivi, con particolare attenzione alle condizioni climatiche locali e al perseguimento combinato di efficienza energetica e comfort microclimatico durante tutto l'anno.

La misura del comfort termoigrometrico: un caso di studio

Come già detto, il comfort termoigrometrico negli ambienti interni viene misurato per mezzo di rilevazioni in continuo della variazione temporale delle grandezze microclimatiche. Non esiste a tutt'oggi una normativa nazionale che definisca in modo preciso e univoco le procedure da adottare, ma ogni laboratorio si dota di protocolli propri riferendosi anche alle raccomandazioni dell'ASHRAE Fundamentals handbook e della norma UNI-EN-ISO 7726 [4] che definiscono gli strumenti di misura delle grandezze microclimatiche e il loro corretto utilizzo.
A titolo esemplificativo, si riportano brevemente i risultati principali, relativamente al solo studio del benessere termoigrometrico degli utenti, di una campagna di monitoraggio effettuata presso un edificio bioclimatico denominato Casa Vieider a Valdaora di Sopra in provincia di Bolzano progettata dall'arch. Kurt Egger di Brunico. L'edificio è caratterizzato da una struttura a setti portanti di tavole incrociate e superisolati con pannelli di fibre naturali pressate
dello spessore di 22 cm, da una forma compatta, da un'ampia finestratura a sud (59% dell'area totale di facciata), da una serra di notevoli dimensioni, da un muro in calcestruzzo cementizio armato verso est che, assieme al bed rock, garantisce una certa inerzia termica, e da un sistema di ventilazione automatico con scambiatore di calore geotermico e aria-aria.
L'edificio è uno degli oggetti pilota dell'attività di ricerca svolta presso il Laboratorio di Progettazione Edilizia descritta in precedenza. Per altri aspetti relativi alla ricerca si rimanda ad altri lavori pubblicati dall'autore, fra cui [5] [6] [7].
La campagna di monitoraggio è stata svolta nel periodo ottobre 2003 - settembre 2004 oltre ad alcune settimane
nella primavera del 2005, in fase di esercizio, ossia con l'edificio in reali condizioni di utilizzo. Sono stati rilevati i valori di temperatura dell'aria, umidità relativa, velocità dell'aria, temperatura globotermometrica e temperature superficiali di parete in alcune stanze ritenute significative e rappresentative delle diverse condizioni interne e di esposizione degli ambienti.
Le sonde utilizzate, prodotte dalla LSI di Milano, erano costituite da:
1. sonde per la rilevazione dei valori della temperatura aria secca con sensore al platino del tipo PT100 (misurano la variazione di corrente elettrica all'interno di un sottile filo di platino di resistenza 100 ? al variare della temperatura)
2. sonde per l'umidità relativa dell'aria di tipo psicrometrico a ventilazione forzata dotate di bulbo asciutto e bulbo bagnato per la misura della temperatura aria umida (il bulbo umido è avvolto in una garza a contatto con una boccetta di acqua distillata, la microventola asciuga la garza per convezione forzata con una velocità proporzionale all'umidità dell'aria ambiente), e sonde di tipo capacitivo dove il sensore di umidità è costituito da un trasduttore a polimeri igroscopici;
3. sonde per la temperatura operativa misurata tramite il globotermometro, una sfera di diametro 13 cm di materiale buon conduttore termico, generalmente rame colorato in nero, che scambia energia con tutte le pareti dell'ambiente nello stesso modo; è spesso dotato di un agitatore interno per permettere lo scambio di calore anche attraverso la convezione termica e restituisce un valore della temperatura che tiene conto anche degli scambi per irraggiamento con le pareti circostanti, dando quindi una temperatura molto vicina alla reale temperatura percepita dal corpo umano;
4. sonde per la temperatura superficiale di parete costituite da piccole piastrine di rame argentato;
5. sonde per la velocità aria interna costituite da un anemometro a filo caldo, che misura la variazione di corrente elettrica in un filo buon conduttore raffreddato dall'aria in moto.

A causa dell'enorme quantità di dati raccolti (più o meno 31 mila dati per ogni parametro ambientale considerato nei 12 mesi), si è ritenuto opportuno sintetizzare la prestazione dell'edificio considerando la media mobile sulle 8 ore e facendo alcune osservazioni di ordine generale. Nelle tabelle seguenti sono riassunti alcuni dati significativi:
Primo punto di interesse è stata l'analisi del comportamento della serra. È stato possibile notare che la temperatura interna media della serra segue bene l'andamento di quella esterna, pur riducendone i valori di picco di 10÷16 °C al massimo, fatto che ha una ovvia ripercussione positiva sulla temperatura interna delle stanze, anche se in alcune giornate di agosto la temperature interna è eccessiva a causa della scarsa ventilazione. Nell'edificio, la temperatura
ha un andamento notevolmente variabile durante il giorno, e ciò può causare sensazioni di discomfort principalmente dovute al fatto che negli ultimi anni gli utenti sono abituati a valori di temperatura mantenuti artificialmente costanti durante tutta la giornata e hanno perso le naturale capacità di adattamento. Per quanto riguarda la distribuzione della temperatura nell'edificio, la differenza fra le stanze con esposizione sud e nord è molto limitata e ciò è probabilmente dovuto sia al superisolamento dell'edificio sia alla presenza del corridoio centrale che agisce da volano
termico, mentre la differenza è maggiore fra il primo e il secondo piano (fino a 3°C in estate, al limite dei valori consigliati dalle teorie del benessere), probabilmente a causa dei moti interni convettivi di aria calda e, soprattutto, della presenza della grande serra e dell'alta percentuale di superficie finestrata rivolta a sud.
Per quanto riguarda gli indici di discomfort, i valori di PMV e PPD sono stati calcolati considerando tre diverse attività: giornaliera leggera (1.2 met), giornaliera pesante (2.6 met) e notturna (0.8 met) con tre differenti tipologie di vestiario: leggero (0.56 clo), pesante (0.86 clo) e notturno (1.8 clo). Il met e il clo sono due unità di misura incoerenti rispettivamente per l'attività metabolica e il vestiario, corrispondenti a 58.2 W/m2 l'uno (pari all'attività metabolica di una persona seduta a riposo) e 0.155 Km2/W l'altro (pari a un generico vestiario composto da slip, camicia, pantaloni,
giacca, calzini, scarpe).
In due delle tre stanze monitorate (stanza relax e soggiorno- pranzo) i valori di temperatura variano notevolmente
durante le 24 ore, e questo causa una certa sensazione di discomfort durante il giorno per tutti i tipi di attività considerati e durante la prima mattina a causa dei valori di temperatura abbastanza bassi. Le variazioni giornaliere della temperatura nella stanza da letto sono minori e, anche se i valori minimi registrati sembrano essere alti, la bassa percentuale di umidità relativa permette il raggiungimento di buoni livelli di comfort notturni con il PPD sotto il 5%, mentre la temperatura giornaliera è troppo alta anche per attività leggere (PPD del 30%) e insopportabile per
attività pesanti (PPD fino al 70%).
Mediamente, comunque, i dati registrati si situano all'interno delle condizioni di comfort accettabili secondo le carte bioclimatiche di Givoni e ben si accordano con le sensazioni di comfort realmente percepite dagli utenti. A lato, è importante notare che le condizioni di comfort sono state raggiunte con un minimo impatto del sistema di riscaldamento in quanto durante il 2004 è stato calcolato un consumo energetico specifico per il riscaldamento di solo 32.16 kWh/m2, circa un quarto della media nazionale.

Nelle immagini: sopra-schema del posizionamento delle sonde di casa vieider (pt-2°piano); sotto-confronto fra l’andamento della temperatura nella stanza da letto a sud (viola) e la temperatura esterna (arancione). On this page: above- schedule of the placement of the probes. Below-comparison between the course of the temperature in the southern bedroom (violet) and the outside temperature (orange).

Bibliografia

[1] UNI EN ISO 7730/97, Ambienti termici moderati - Determinazione degli indici PMV e PPD e specifica delle
condizioni di benessere termico
[2] G.S. Brager - R.J. de Dear, Thermal Comfort in naturally ventilated buildings: revisions to ASHRAE Standard 55, in
Energy and Buildings, volume 34, numero 6, luglio 2002, pp. 549-562
[3] M.A. Humphreys - J.F. Nicols, Adaptive thermal comfort and sustainable thermal standard for buildings, in Energy and Buildings, volume 34, numero 6, luglio 2002, pp. 563-572
[4] UNI EN ISO 7726/2002, Ergonomia degli ambienti termici - Strumenti per la misurazione delle grandezze fisiche
[5]R. Albatici, Analisi e valutazione dell'efficienza energetica di edifici in legno progettati secondo i criteri dell'architettura sostenibile, in "Intersezioni e mutazioni nei rapporti tra Architettura e Tecnica", a cura di F. Polverino, Luciano editore, Napoli 2006, Primo Convegno Nazionale Ar.Tec.,
Roma, 3-4 dicembre, 2004
[6]R. Albatici, Low energy consumption timber buildings: a case study", Contributo a "ENHR 2004", Cambridge (UK), 2-
6 luglio 2004, http://www.enhr2004.org
[7]R. Albatici, Human Comfort Conditions inside Wooden Passive and Bioclimatic Houses, in Towards Sustainable
Building Design, a cura di Feist W., Darmstadt:Passivhaus Institut, 2006, pp. 331-336, Atti del convegno: "10th
International Passive House Conference 2006", Hannover (Germania), 19-20 maggio 2006.