Caratterizzazione di dispositivi di schermatura solare per ambienti esterni : campagna sperimentale e simulazione delle prestazioni

Due to climate change, urban areas are increasingly affected by heat island effect and heat wave phenomena. These phenomena have a strong impact on the urban microclimate, contributing to the deterioration of outdoor thermal comfort in summer. There are many solutions that can be carried out on both an urban and a local scale to improve the microclimatic conditions and consequently the feeling of comfort for people in a given open space. Possible solutions on a local scale include the use of vegetation, evaporative cooling of the air through water mist and the use of shading devices. Shading devices consist of membranes made of special highly reflective textile materials that block most of the solar radiation. This thesis studies the effect of different radiative properties of fabrics and the number of membranes in shading devices on the microclimate and thermal comfort conditions outdoors. In particular, two types of devices have been analyzed: one type is characterized by the use of a single solar membrane, and the other one uses two overlapping membranes separated by an air gap. In order to predict their behavior when the microclimate conditions changes, thermo-physical models have been created that are able to calculate the surface temperature of the membrane and the mean radiant temperature with the contribution of solar radiation, this being a parameter used by many indices for thermal comfort outdoors. At the same time, a microclimatic survey campaign was carried out in a green area inside the Campus la Masa, Politecnico di Milano during September 2021 in order to measure the behavior of the two awning devices: a single membrane device in standard white fabric and a double membrane device, with standard white fabric as upper membrane and a low emissivity fabric as lower membrane, placing the low emissivity side towards the ground. The results obtained showed that the double membrane device with a low-emissivity layer can decrease the mean radiant temperature in the sun by 3.8°C. The measurements were also used to verify the goodness of the thermophysical models. Having found a good capability to reproduce the measured values, the models were used to observe and compare the behavior of the two devices for different material configurations and varying climatic parameters. It was found that double membrane devices produce lower mean radiant temperatures than single membrane devices and that their behavior is less sensitive to environmental parameters. It was also obtained that a single membrane device based on an innovative material with high solar reflectance properties would behave like any double membrane device. The advantage of using a low emissivity membrane was found to be modest overall, especially in the context of double membrane devices. Further investigations are needed to better assess the effects of using a low-emissivity material compared to a standard fabric and they can be carried out through further experimental campaigns and improved thermophysical models; field measurements could be carried out during warmer months and for different membrane configurations by adopting additional sensors to better define the climatic conditions, e.g. a thermocouple for measuring the ground temperature in the sun. Although the thermophysical models are able to reproduce the measured values with good accuracy, both of them can be improved by attempting to calculate the internal surface temperature of the soil; still, the double membrane model could be further improved by a more precise correlation for the calculation of the convective exchange coefficient inside the cavity.

A causa del cambiamento climatico le aree urbane sono sempre più colpite dai fenomeni dell’isola di calore e delle ondate di calore. Questi fenomeni hanno un forte impatto sul microclima urbano contribuendo al peggioramento del comfort termico estivo all’aperto. Esistono numerosi interventi realizzabili sia su scala urbana che su scala locale volti a migliorare le condizioni microclimatiche e di conseguenza anche la sensazione di comfort per delle persone in un determinato spazio aperto. Tra i possibili interventi a livello locale troviamo ad esempio l’utilizzo della vegetazione, il raffrescamento evaporativo dell’aria attraverso nebulizzatori ad acqua e l’impiego di dispositivi ombreggianti. Questi ultimi sono costituiti da teli realizzati in speciali materiali tessili altamente riflettenti in grado di bloccare la maggior parte della radiazione solare. La presente tesi studia l’effetto delle diverse proprietà radiative dei tessuti e del numero di membrane in dispositivi ombreggianti sulle condizioni microclimatiche e di comfort termico in esterno. In particolare, sono state analizzate due tipologie di dispositivi: una tipologia tipo dispositivo ombreggiante è caratterizzata dall’utilizzo di una sola membrana solare, ed un’altra che ne utilizza due sovrapposte e separate tra di loro da un’intercapedine d’aria. Per prevedere il loro comportamento al variare del microclima sono stati creati dei modelli termofisici in grado di calcolare la temperatura superficiale della membrana e la temperatura media radiante con contributo di radiazione solare, essendo questo un parametro usato da molti indici per il comfort termico in esterno, per delle persone al di sotto di essi. Parallelamente è stata condotta una campagna di rilievi microclimatici in una zona verde all’interno del Campus la Masa, Politecnico di Milano nel mese di settembre 2021 col fine misurare il comportamento dei due dispositivi schermanti: un dispositivo a singola membrana in tessuto bianco standard e uno a doppia membrana, con tessuto bianco standard come membrana superiore e un tessuto a bassa emissività come membrana inferiore, disponendo il lato bassoemissivo verso il terreno. I risultati ottenuti hanno mostrato che il dispositivo a doppia membrana con strato bassoemissivo può abbassare la temperatura media radiante al sole di 3.8°C. Le misure sono state anche usate per verificare la bontà dei modelli termofisici. Avendo riscontrato una buona capacità di riprodurre i valori misurati, i modelli sono stati utilizzati per osservare e confrontare tra di loro il comportamento dei due dispositivi per diverse configurazioni di materiali e al variare di alcuni parametri climatici. È risultato che i dispositivi a doppia membrana producono temperature medie radianti inferiori rispetti ai dispositivi a telo singolo e che il loro comportamento è meno sensibile ai parametri ambientali. Si è anche ottenuto che un dispositivo a singola membrana basato su un materiale innovativo con proprietà di riflessione solare elevata si comporterebbe come un qualunque dispositivo a doppia membrana. Il vantaggio dell’utilizzo di una membrana a bassa emissività è risultato invece complessivamente modesto, specialmente nell’ambito di dispositivi a doppia membrana. Sono necessari successivi approfondimenti per meglio valutare gli effetti dell’uso di un materiale basso emissivo rispetto ad un tessuto standard attraverso ulteriori campagne sperimentali e mediante un miglioramento dei modelli termofisici; le misurazioni potrebbero essere svolte durante mesi più caldi e per diverse configurazioni di membrana adottando ulteriori sensori per definire meglio le condizioni climatiche, ad esempio una termocoppia per la misura della temperatura del terreno al sole. Benché i modelli termofisici riescano a riprodurre con buona precisione i valori misurati entrambi possono essere migliorati cercando di calcolare la temperatura superficiale interna del terreno; inoltre il modello a doppia membrana potrebbe essere ulteriormente migliorato attraverso una correlazione più precisa per il calcolo del coefficiente di scambio convettivo all’interno dell’intercapedine.