2. Dati climatici: normative di riferimento

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2. Dati climatici: normative di riferimento 3

2. Dati climatici: normative di riferimento

La parte del presente lavoro che riguarda i dati climatici è introdotta da un necessario approfondimento su ciò che concerne l'aspetto normativo riguardo a tale tema. Come detto in precedenza i dati climatici sono entrati a far parte in maniera costante della progettazione edilizia da quando esiste una maggiore attenzione al fabbisogno energetico dell'edificio data dall'aumento del costo dell'energia, dalle maggiori esigenze di comfort e, dai sempre più attuali, problemi ambientali. Per questo sia la legislazione europea che quella nazionale hanno provveduto, in maniera più o meno completa, a sviluppare le norme che riguardano tale tema.

2.1. Linee guida europee per i dati climatici

L'attuale riferimento europeo per quanto riguarda i dati climatici sono le UNI EN ISO 15927. Tali norme specificano le procedure di calcolo e la presentazione dei dati medi mensili di quei parametri climatici necessari per valutare alcuni aspetti delle prestazioni termiche e igrometriche negli edifici. I valori numerici di tali dati devono essere poi ottenuti dai servizi meteorologici del paese oggetto di studio. La norma, che tratta varia argomenti riguardo al tema dei dati climatici, è divisa nelle sei parti analizzate di seguito.

La UNI EN ISO 15927-1/2003 fornisce metodi per il calcolo della media mensile della temperatura dell'aria a partire da valori orari, misurati a intervalli di 3 o 6 ore, massimi e minimi giornalieri e a determinate ore del giorno. Inoltre, è riportata la procedura di calcolo per ricondurre tale media mensile a una media giornaliera e annuale. Tali metodi di calcolo sono ripetuti per l'umidità atmosferica. Sono poi riportate le velocità medie del vento in base ai coefficienti di rugosità e topografia e i metodi di calcolo per ottenere medie mensili e annuali di tali valori, le precipitazioni atmosferiche e la radiazione solare. Nelle appendici di tale norma sono riportati i metodi per ripartire l'irradianza solare nella frazione diretta e diffusa.

Nella UNI EN ISO 15927-2/2009 sono riportati i dati climatici usati per la progettazione di impianti di raffrescamento per edifici e la procedura per l'identificazione dei giorni di progetto (design days).

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Nella UNI EN ISO 15927-3/2009 è riportata la procedura di calcolo per stimare la quantità di pioggia che cade su una superficie verticale qualunque sia l'orientamento. Questa dipenderà da coefficienti di topografia, dal tipo di costruzione e da eventuali ripari che proteggono la superficie verticale.

Nella UNI EN ISO 15927-4/2005 sono riportati i dati orari per la valutazione del fabbisogno energetico per riscaldamento e raffrescamento. Questa norma specifica il metodo per costruire un anno di riferimento utilizzando specifici parametri climatici. La UNI EN ISO 15927-5/2004 specifica la definizione, il metodo di calcolo e quello di presentazione dei dati climatici utilizzati per determinare il carico termico di progetto per il riscaldamento degli ambienti negli edifici. Tramite questi metodi di calcolo si ottengono le temperature medie di progetto per il periodo invernale, la velocità e le direzioni dominanti del vento.

La UNI EN ISO 15927-6/2007 riporta la definizione e il metodo di calcolo delle differenze di temperature cumulate utilizzate per valutare l'energia necessaria per il riscaldamento degli edifici. Tali dati sono comunemente chiamati "gradi giorno" o "gradi ora". All'interno della norma sono anche specificate le temperature base standard utilizzate per calcolare le differenze di temperature cumulate e le correzioni da fare in caso di differenti altitudini.

Tali norme, come detto, sono linee guida per le norme nazionali che devono racchiudere al loro interno i dati climatici veri e propri per il paese di riferimento.

2.2. Studio ENEA-CTI per l'aggiornamento dei dati

climatici italiani

Tramite lo studio realizzato dall'ENEA (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l'energia e lo sviluppo economico sostenibile) e dal CTI sono stati resi disponibili gli anni climatici tipo (TRY) e le loro elaborazioni per 110 località di riferimento distribuite sul territorio nazionale. Si tratta della base di calcolo ufficiale preparata e utilizzata dal CTI per l'ultima revisione realizzata della UNI 10349 in base alle linee guida dettate dalla UNI EN ISO 15927. Rispetto all’edizione del 1994, i contenuti sono stati ampliati ed è stato inoltre definito l’indice di “severità climatica” messo a

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punto dall'ENEA. Gli anni climatici tipo sono stati calcolati secondo la procedura guida descritta nella norma UNI EN ISO 15927-4 e consistono in dodici mesi caratteristici scelti da un archivio di dati meteorologici realmente rilevati per un periodo temporale preferibilmente maggiore di dieci anni. I mesi sono stati scelti da anni diversi del periodo di cui si dispongono i dati climatici e poi uniti per formare l’anno tipo (correggendo i punti di transizione tra un mese e l’altro). Gli anni climatici tipo rappresentano, nel lungo periodo, i valori medi dei più importanti parametri climatici (temperatura, umidità relativa, irradianza globale sul piano orizzontale e velocità del vento) e sono caratterizzati da:

• Dinamiche realistiche: sequenze orarie e variazioni durante giorni e serie di giorni, tipici della zona climatica;

• Una reale correlazione tra diversi parametri climatici, in particolare fra temperatura e irradianza solare globale.

La selezione dei singoli anni tipo è basata sulle distribuzioni di frequenza cumulate delle medie giornaliere di temperatura, umidità relativa e irradianza solare globale su piano orizzontale. Le serie storiche sono riferite a 110 stazioni di rilevamento dei dati dislocate sul territorio nazionale e i valori delle grandezze prese in considerazione nella UNI 10349/2016 sono quelli ricavati dalle misurazioni prese su base oraria da parte di questo studio.

2.3. Ultimo aggiornamento dei dati climatici italiani:

la UNI 10349/2016

L'ultimo aggiornamento per quanto riguarda i dati climatici italiani è rappresentato dalla UNI 10349/2016 la quale è suddivisa in tre parti che raccolgono al loro interno i dati climatici convenzionali per il territorio italiano, necessari per la verifica delle prestazioni energetiche e termoigrometriche degli edifici, inclusi gli impianti tecnici per la climatizzazione estiva e invernale ad essi asserviti. Tali dati sono quelli rappresentativi delle condizioni climatiche medie sul territorio nazionale.

Nella UNI 10349-1 sono riportati i valori medi mensili di temperatura, pressione di vapore, irradiazione solare globale giornaliera su piano orizzontale e velocità del vento per tutte le 110 stazioni di rilevazione sul territorio italiano. Queste stazioni di

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rilevazione, poste in prossimità del capoluogo di provincia, sono riportate nella norma con le coordinate geografiche (latitudine e longitudine) e l'altitudine del sito in metri. I dati orari sono calcolati utilizzando la metodologia prevista dalla norma UNI EN ISO 15927-4 ma, a differenza di quanto indicato nella stessa, la selezione dei mesi rappresentativi è stata effettuata limitatamente ai dati disponibili e soltanto sulla base della temperatura e dell'irradiazione solare globale su piano orizzontale pesate in misura eguale. I valori medi mensili delle temperature medie giornaliere dell'aria esterna per le stazioni di rilevazione dei dati climatici sono riportati nel prospetto 5 di tale norma, in tabelle per ogni singola provincia, ed è possibile inoltre ottenere tali valori per località non comprese in queste tabelle tramite un calcolo che tiene conto della diversa localizzazione e altitudine rispetto alla stazione di rilevamento. S'identifica, infatti, la stazione di rilevazione dei parametri climatici di riferimento più vicina in linea d'aria (non necessariamente quella della provincia di appartenenza) e si apporta una correzione della temperatura per tenere conto della differenza di altitudine, secondo la seguente relazione [eq. 2.1]:

= _, − − ∙

con:

Temperatura giornaliera media mensile nella località considerata [°C];

, Temperatura giornaliera media mensile nella stazione di rilevazione dei

parametri climatici di riferimento [°C];

Altitudine s.l.m. della località considerata [m];

Altitudine s.l.m. della stazione di rilevazione dei parametri climatici di riferimento [m];

Gradiente verticale di temperatura (fattore di correzione).

Sono poi riportati nel prospetto 6 della norma i valori dell'irradiazione solare giornaliera media mensile sul piano orizzontale [MJ/m2], nelle componenti (diretta) e (diffusa). Anche qui, come per le temperature, è possibile calcolare l'irradiazione solare per località non comprese nelle 110 località. Sono specificati anche i metodi per ripartire l'irradianza solare oraria nella frazione diretta e diffusa, quelli per calcolare l'irradianza solare su una superficie comunque inclinata e orientata e quelli per il calcolo dai dati medi mensili dell'irradiazione solare ricevuta da una superficie fissa comunque inclinata e orientata. Nel prospetto 7 sono riportati

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i valori medi mensili della pressione parziale media giornaliera del vapore nell'aria [Pa]. Infine, nel prospetto 8, si trovano i valori medi mensili e medi annuali della velocità del vento [m/s] insieme alla direzione prevalente [°]. Per le località non comprese è possibile calcolare una velocità del vento corretta che tenga conto della diversa localizzazione, quota e distanza dal mare, controllando che la località di riferimento appartenga allo stesso versante geografico e alla stessa regione di vento (valori riportati nel prospetto 2) e in seguito moltiplicando la velocità del vento presso la stazione di rilevazione per un coefficiente correttivo c determinato in base ai parametri prima elencati (prospetto 3).

La UNI 10349-2 contiene dati di progetto rappresentativi delle condizioni limite da utilizzare per il dimensionamento degli impianti tecnici per la climatizzazione estiva e invernale e per valutare il rischio di surriscaldamento estivo. Nel prospetto 4 viene riportata la temperatura estiva massima e la relativa distribuzione giornaliera oraria ottenuta tramite la relazione [eq. 2.2]:

Ɵ = Ɵ − Ɵ

con:

Ɵ Temperatura massima giornaliera dell'aria esterna [°C];

Fattore di distribuzione della temperatura (tabella oraria prospetto 2);

Ɵ Escursione termica giornaliera dell'aria esterna.

Qui, come nei parametri visti in precedenza, è possibile calcolare il valore di tale parametro per località non comprese nelle tabelle tenendo conto dell'altitudine, del contesto urbano e dell'altezza degli edifici. Nello stesso prospetto sono riportate umidità relativa, umidità massica ed è indicato per ogni località il mese più caldo. Nel prospetto 5 della norma sono riportati i valori dell'irradianza solare massima estiva incidente su superfici verticali diversamente orientate e sul piano orizzontale [W/m2], in funzione delle ore del giorno e delle varie latitudini che interessano il territorio italiano. Nel prospetto 6 sono riportati i valori dell'irradianza solare massima estiva trasmessa attraverso vetro semplice, sia disposto verticalmente e diversamente orientato sia disposto orizzontalmente [W/m2]. Nel prospetto 7 e nel prospetto 8 sono infine rispettivamente riportati i valori dell'altezza solare e azimutale e l'angolo d'incidenza, in funzione delle ore del giorno e della latitudine, relativi all'irradianza solare massima [°]. Per il calcolo dell'irradianza solare massima

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estiva incidente su una certa superficie verticale a una specifica ora del giorno, occorre conoscere la latitudine della località in esame per interpolare linearmente i valori relativi alle latitudini tabulate secondo l'equazione [eq. 2.3]:

=

+

∙

−

con:

Irradianza solare massima relativa a una superficie di orientamento T ;

φ Latitudine della località in esame;

Latitudine della località di riferimento, subito più grande della località in esame;

Irradianza solare massima relativa alla superficie di orientamento T rilevata per la latitudine ;

Latitudine della località di riferimento, subito più piccola della località in esame;

Irradianza solare massima relativa alla superficie di orientamento T rilevata per la latitudine .

La UNI 10349-3 fornisce la metodologia di calcolo per la determinazione, sia nella stagione di raffrescamento, sia in quella di riscaldamento degli edifici, dei gradi giorno [°C ∙ d], delle differenze cumulate di umidità massica [g/kg ∙ d], della radiazione solare cumulata su piano orizzontale [MJ/m2] e dell'indice sintetico di severità climatico del territorio. Gli indici possono anche essere utilizzati per una prima verifica di massima degli impianti e per una stima del consumo energetico per la climatizzazione degli edifici.

Il calcolo dei gradi giorno nella stagione di riscaldamento è riportato con diverse temperature di base, anche se è specificato nella UNI EN ISO 15927-6 che quella standard è di 12°C. Nei prospetti 7,8,9,10,11,12 di tale norma sono riportati i gradi giorno di riscaldamento per le temperature base da 10°C a 20°C. Nei prospetti 13,14,15,16,17,18 si trovano i gradi giorno di raffrescamento per temperature base da 18°C a 28°C. Viene poi specificato il metodo di calcolo per l'umidità massica nel periodo di riscaldamento e, nel prospetto 19, sono riportati i grammi di umidità massica per le varie località [g/kg ∙ d]. Stessa cosa viene fatta per il periodo di

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raffrescamento nel prospetto 20. Sono poi riportati nel prospetto 21 e 22, rispettivamente, la radiazione solare cumulata nel periodo di riscaldamento e quella globale su piano orizzontale cumulata nel periodo di raffrescamento [MJ/m2].

Nell'appendice A della UNI 10349/2016, infine, sono definiti i seguenti parametri:

• Vettore climatico : parametro climatico adimensionale (avente la caratteristica di una grandezza vettoriale) funzione della temperatura, del titolo dell'aria esterna e dell'irradianza solare globale sul piano orizzontale;

• Vettore edificio : parametro fisico-geometrico (avente la caratteristica di una grandezza vettoriale) funzione delle proprietà geometriche e fisiche dell'edificio che influenzano il fabbisogno di energia termica utile per la climatizzazione. Questo è funzione di volume interno, numero di ricambi d'aria, trasmittanza termica dei componenti dell'involucro e superfici soggette a radiazione solare;

• Indice di severità climatica C: parametro energetico adimensionale (avente le caratteristiche di una grandezza scalare) funzione dell'energia termica utile necessaria per la climatizzazione nel periodo temporale T.

Il fabbisogno di energia termica utile Q, per la climatizzazione invernale o estiva di un edificio di volume V in un tempo T, per assegnati valori di comfort interno (temperatura, umidità relativa e numero di ricambi d'aria), al netto degli apporti termici interni di qualsiasi natura e dipendenti dalle caratteristiche di utilizzo dell'edificio stesso, è una funzione non lineare delle caratteristiche climatiche del sito (temperatura esterna, titolo dell'aria esterna e irradianza solare) e delle caratteristiche fisiche e geometriche dell'edificio, compreso l'orientamento nello spazio. La funzione Q, a parità di località, rappresenta quindi la prestazione energetica dell'involucro dell'edificio.

2.4. Raccolte dati internazionali e file climatici

Un'altra base di dati molto importante è quella formata dai dati climatici internazionali o "Weather data files" i quali permettono di caratterizzare ogni luogo nel mondo in base ai dati climatici e fornire ai vari software di progettazione termo-igrometrica dati precisi e metodi di calcolo per qualsiasi località si debba analizzare.

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Una di queste basi dati è fornita da Meteonorm, la quale offre facile accesso a dati precisi per qualsiasi luogo sulla Terra: irraggiamento, temperatura e altri parametri climatici. Essa contiene dati meteorologici in tutto il mondo e, tramite 8325 stazioni meteorologiche e cinque satelliti geostazionari, consente di accedere a un catalogo di dati meteorologici per la progettazione edilizia e termoigrometrica. Meteonorm è considerato il riferimento meteorologico per la progettazione degli edifici, dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento, dei sistemi di energia rinnovabile come ad esempio quella solare e per la ricerca ambientale.

Fig. 2.1: Localizzazione stazioni Meteonorm nel mondo(fonte: Meteonorm)

I dati relativi ai periodi 1961-1990 e 2000-2009 sono disponibili per temperatura, umidità, velocità del vento e precipitazioni mentre quelli relativi ai periodi 1981-1990 e 1991-2010 sono completi anche per la radiazione solare. I dati climatici di questo database sono attualmente disponibili per i seguenti parametri:

• Radiazione globale;

• Temperatura ambiente;

• Umidità;

• Precipitazione;

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• Velocità del vento;

• Direzione del vento;

Solitamente, i dati di misurazione possono essere usati solo in prossimità di una stazione meteorologica. Altrove, i dati devono essere interpolati tra le diverse stazioni. I sofisticati modelli di interpolazione consentono un calcolo affidabile di tutte le grandezze presenti all'interno della base di dati in qualsiasi sito al mondo. Altri parametri più specifici, presenti all'interno di questo database, sono:

• Azimuth solare ed elevazione;

• Irradiazione globale e diffusa;

• Irradiazione a onda lunga;

• Luminanza;

• Radiazioni UVA / UVB;

• Precipitazioni atmosferiche;

• Parametri di umidità (punto di rugiada, umidità relativa, rapporto di miscelazione, temperatura psicrometrica).