Outdoor thermal comfort and mean radiant temperature : comparison of measurement techniques

The constant urban overheating, influenced by climate change and urbanization, is already decreasing the outdoor thermal comfort and the wellbeing of the urban population. Heat-related problems are a major issue in many cities and the uncontrolled increase in temperature and the climate change projections are worrying researchers and urban planners, who are looking for efficient solutions to assess the thermal characteristics of open environments and their relation with human comfort. To evaluate the complexity of the outdoor comfort condition, the concept of the Mean Radiant Temperature (MRT) has been adopted: this parameter is aimed at describing the complex radiative exchanges reaching a human body in an outdoor environment. However, the outdoor thermal comfort is a relatively new field of study and there is a lack of standardization of the methodology to assess the MRT in outdoors. Different researchers have therefore adopted in their studies different instruments, methods and standards in the evaluation of this parameter. This thesis work, therefore, made an attempt to cover the wide range of instruments and techniques adopted in literature, making easier the comparison between them. Taking as reference the results obtained using the most expensive, but also the most accurate, measurement technique (i.e. the one that foresees the use of three net radiometers simultaneously), criticalities, weaknesses and strengths are identified and compared with cheaper alternatives. Along with three net radiometers we used two globe thermometers of different colours (black and grey) and size. Several experimental campaigns were carried out in nine different urban settings, to evaluate the outdoor thermal comfort and how it is influenced by the radiative properties of the materials characterizing each measurement site. The evaluation of the MRT allowed then to calculate the so-called Universal Thermal Climate Index (UTCI) and, through a set of thermal stress categories, to translate the calculated UTCI in the thermal stress perception that people experience in a given environment. A first analysis is focused on the difference in MRT and UTCI results obtained with the different instruments adopted. Further data analysis and elaborations were then performed, addressing the use of alternative approaches of the commonly adopted methods. Among these, we considered different view factors in the calculation of the MRT with the net radiometers method, as well as a correction applied to the commonly used convective coefficients describing the heat exchange between the globe thermometers and the surrounding environment.

I cambiamenti climatici e l'urbanizzazione sono alla base del crescente surriscaldamento nelle aree urbane, fenomeno che sta progressivamente diminuendo il comfort termico esterno e quindi il benessere della popolazione. Ricercatori e urbanisti sono perciò chiamati a trovare efficienti soluzioni per la valutazione ed il miglioramento delle condizioni termiche negli ambienti esterni. Per studiare la complessità del comfort termico esterno, è stato adottato il concetto di Temperatura Media Radiante (MRT): tale parametro ha lo scopo di descrivere i complessi scambi radiativi che interessano il corpo umano in un ambiente esterno. Il comfort termico esterno è però un campo di studio relativamente nuovo, che soffre la mancanza di una standardizzazione della metodologia per valutare la MRT in ambienti aperti. Ciò spiega il motivo per cui diversi ricercatori si sono avvalsi di differenti strumenti e differenti metodologie nei loro studi in questo ambito. Questo lavoro di tesi cerca di ripercorrere l’ampia gamma di tecniche e strumenti utilizzati nei più recenti studi, al fine di facilitare il confronto tra di essi. Prendendo come riferimento i risultati ottenuti grazie alla tecnica di misurazione più accurata ma anche più costosa (ovvero quella che prevede l'utilizzo di tre radiometri netti contemporaneamente), si vogliono individuare criticità, debolezze e punti di forza rispetto alle alternative più economiche. Insieme ai tre radiometri netti si è scelto di utilizzare due globotermometri di diverso colore (nero e grigio) e diversa dimensione. Sono state condotte campagne sperimentali in nove differenti contesti urbani, al fine di studiare il comfort termico esterno e come esso venga influenzato dalle proprietà radiative dei materiali che caratterizzano i differenti ambienti. La valutazione della MRT ha inoltre permesso di calcolare il cosiddetto Universal Thermal Climate Index (UTCI), il quale, attraverso un sistema di categorizzazione, consente di indicare la percezione di stress termico che le persone provano in un determinato ambiente. In questa tesi, una prima analisi sarà focalizzata sulla differenza riscontrata nei risultati ottenuti con i diversi strumenti a nostra disposizione; ad essa seguono ulteriori analisi ed elaborazioni dei dati raccolti, volte a prendere in considerazione approcci alternativi ai metodi comunemente adottati. Tra questi vengono presi in esame l’utilizzo di differenti fattori di vista nel calcolo della MRT con radiometri netti e diverse alternative ai coefficienti convettivi più frequentemente utilizzati per descrivere lo scambio termico tra i globotermometri e l'ambiente esterno circostante.