L'overheating (sovra-riscaldamento) e l'overcooling (sovra-raffreddamento) sono due comportamenti che si osservano in alcune condizioni durante i rilevamenti della temperatura dell'aria all'interno degli schermi solari utilizzati per ridurre l'errore dovuto alla radiazione solare.

In particolare, l'overheating si osserva soprattutto negli schermi solari passivi a piatti e l'overcooling in quelli a ventilazione forzata.

Overheating

Dobbiamo distinguere l'overheating dall'errore di radiazione tipico degli schermi solari passivi. Leggendo l'articolo relativo ai metodi per il rilevamento della temperatura, si comprende che la protezione contro la radiazione solare è necessaria per eseguire una corretta lettura della temperatura dell'aria.

Nella nostra pagina dei confronti si nota come alcuni schermi solari proteggono meglio di altri secondo questa regola: più è bassa la temperatura massima rilevata da uno schermo solare passivo, migliore sarà la sua protezione dai raggi solari diretti.

In ogni caso, ogni schermo solare passivo non riuscirà mai ad annullare completamente gli effetti della radiazione solare che colpirà il sensore contenuto al suo interno e pertanto, si osserverà un andamento della curva di temperatura più alto se confrontato con quello di un sensore all'interno di uno schermo ventilato.

L'overheating è invece, un aumento della temperatura registrata non dovuto nè ad un effettivo innalzamento della temperatura dell'aria esterna e nemmeno ad un errore eccessivo per una mancata protezione alla radiazione solare.
Si tratta invece, di un effettivo riscaldamento esclusivamente dell'aria contenuta all'interno dello schermo, che non riesce a defluire all'esterno per mancanza di ventilazione.

Questo effetto è ben visibile al mattino quando la temperatura dell'aria è ancora fresca e tende sì, pian piano a innalzarsi, ma i primi raggi del Sole colpiscono i piatti dello schermo solare. La loro temperatura sale e così l'aria al loro interno. La mancanza della ventilazione, se la velocità del vento è inferiore a circa i 2Km/h, fa si che l'aria all'interno dello schermo solare diventi più calda di quella al suo esterno.

Nel grafico "Temperatura 2.5m" qui a fianco, la curva verde chiaro del sensore denominato WS80, sotto la freccia rossa, disegna una gobba pronunciata rispetto alla temperatura segnata con la freccia viola, rilevata dal termometro WH31_3 e quello denominato Aerocone.

Il sensore WS80 in quel momento della "gobba" sta subendo un overheating. Un lieve overheating si osserva anche sul WH31_1.

I sensori Aerocone e WH31_3 invece, continuano la loro salita in maniera regolare senza soffrire di questa problematica.

I motivi di questo comportamento possono essere molteplici, da quelli di progettazione, come il poco spazio tra i piatti o una doppia camera (piatti interni ed esterni) non ben ventilata a quelli meteorologici come il vento praticamente assente, cielo terso e Sole che si mostra già alto perchè prima nascosto da qualche ostruzione (collina, palazzo, ecc.) 

Un altro tipo di overheating che si può osservare, è relativo agli schermi solari a ventilazione forzata ai quali per problematiche hardware, la ventola è spenta. 

Qui a fianco il grafico di un esperimento in cui si è volutamente spenta la ventola dello schermo Apogee TS-100.
Si osserva come la differenza con un altro schermo a ventilazione passiva, può superare anche i 2.5°C.

 Questo tipo di overheating, a differenza del precedente, lo si osserva in tutto il periodo in cui è presente il Sole. Potrebbe quindi durare per tutta la giornata. Sempre nel grafico a fianco, si osserva la diminuzione dell'errore quando il Sole viene coperto.

Quando non è overheating ma reattività

Vi sono dei casi in cui l'overheating può esser confuso con la reattività di uno schermo. La reattività è esattamente l'opposto dell'inerzia e cioè il tempo necessario ad un sensore inserito all'interno di uno schermo, per rilevare la temperatura esterna. Più beve sarà il tempo necessario ad un sensore per rilevare la reale temperatura esterna, migliore sarà la reattività dello schermo.

Come si fa a distinguere se siamo di fronte ad uno schermo molto reattivo che "coglie" impennate di temperatura che gli altri non colgono? Osservando tutta la sua curva. In particolare, uno schermo molto reattivo è uno schermo che fa registrare temperature maggiori quando il Sole lo colpisce al mattino e temperature inferiori appena il Sole tramonta.

Nelle immagini qui a fianco, si nota la differenza di comportamento dello schermo del sensore E-WH31_1, molto più reattivo, rispetto a quello del E-DP50.

Overcooling

Nel grafico "Temperatura 2.5m" osserviamo un altro fenomeno che può accadere in determinate condizioni: la freccia blu indica una gobba pronunciata verso il basso del sensore TH2E che è contenuto all'interno di uno schermo solare a ventilazione forzata aspirata.

La ventola di questo schermo è stata attivata alla massima velocità, circa 4200 rpm, un po' dopo le 6:00, dove nel grafico è segnata la freccia nera.

L'effetto si chiama overcooling ed in questo caso è avvenuto in concomitanza di un repentino innalzamento dell'umidità che ha investito il sensore, proveniente dal sottostante prato.

La ventola dello schermo a ventilazione forzata aspirata ha raffreddato l'aria umida causando la registrazione di quell'abbassamento di temperatura non rilevato dagli altri sensori.

Dal grafico "Umidità" si noterà il repentino e di breve durata, innalzamento dell'umidità intorno alle 8:10 del mattino avvenuto nel medesimo momento in cui i primi raggi solari colpivano il prato ed i sensori.

Questa situazione ha fatto rilasciare velocemente l'umidità notturna al prato che è salita verso l'alto investendo gli schermi solari posti a 2.50m circa

Se la ventola dello schermo che protegge il sensore TH2E fosse stata regolata in PWM per seguire l'andamento della radiazione solare e il vento, probabilmente non si sarebbe registrato questo errore fenomeno.

Un'altra situazione in cui avviene l'overcooling è durante gli eventi piovosi come già riportato sull'ENV58 Euramet:

The standard ISO 17714:2007, recommends test methods for characterising thermometers together their radiation shield. The rainfall is recognised in this documentary standard as an “Influence factors”. It says: “Another effect is that the temperature of the precipitation is generally lower than the temperature of the air…This can suddenly cool the screen at a different rate than the air (up to 5 K in 5 min)”

Per suffragare questa tesi si sono svolti degli esperimenti atti a investire lo schermo solare passivo da pioggia precedentemente raffreddata.

 L'esperimento basato sulla creazione di un impianto di simulazione della pioggia in condizioni di temperatura controllata, ha mostrato che le gocce di pioggia fredde, sovraraffreddano gli schermi dei termometri fino a valori ben al di sopra della incertezza di caibrazione dei termometri. Inoltre, è stato osservato che l'effetto dura per ore dopo la fine della pioggia.
Sono stati eseguiti diversi test che hanno dimostrato che, soprattutto per gli schermi a ventilazione naturale (passivi), l'errore
a causa della pioggia può essere inaccettabilmente grande e il tempo prima che il termometro sia di nuovo in equilibrio potrebbe essere molto lungo. Per i termometri ad aria ventilata artificialmente, gli errori osservati sono meno significativi. L'errore e la costante di tempo dipendono dalla differenza di temperatura tra la pioggia e la temperatura dell'aria e, in misura minore dall'intensità della pioggia. Non è quindi praticabile l'applicazione di una correzione post rilevamento.

Gli schermi solari passivi a doppia camera risentono meno di questo fenomeno perchè l'acqua fredda, raffredda solo il primo strato dei piatti e non arriva a toccare la seconda camera.

Se la pioggià è particolarmente fine, tanto da rimanere in sospensione nell'aria, può invece, essere aspirata dagli schermi solari a ventilazione forzata, se la ventola è ad alti regimi e rientrare nella problematica di overcooling precedentemente espressa.

Riferimenti:

Air temperature measurement uncertainty associated to a mounting configuration temperature sensor-radiation shield - M Dobre, D Sestan and A Merlone

A Temperature Error Correction MethodA Temperature Error Correction Methodfor a Thermometer Screen - J. Yang* and Q.Q. Liu 

Fluid dynamic design and experimental study of an aspirated temperature measurement platform used in climate observation - Jie Yang , Qingquan Liu, Wei Dai, and Renhui Ding

ENV58 MeteoMet2 - Metrology for essential climate variables - Andrea Merlone