Benessere Termoigrometrico

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1 Benessere Termoigrometrico Massimo Garai DIN - Università di Bologna Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 1 Importanza del benessere (comfort) Nei paesi industrializzati le persone trascorrono la maggior parte del loro tempo negli ambienti costruiti dall uomo Lo scopo ultimo degli ambienti costruiti è quello di assicurare buone condizioni di vita, cioè di benessere (comfort) alle persone Tuttavia la progettazione è ispirata a criteri di prestazione e di economicità piuttosto che a criteri di comfort Le conoscenze scientifiche attuali sul benessere permettono eimpongono diorientare diversamente i criteri di progettazione L accresciuta importanza della protezione dell ambiente naturale e della sostenibilità di opere e processi concorrono a definire una nuova visione delle attività di progettazione e costruzione Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 2 Benessere Termoigrometrico 1

2 Benessere (comfort) Il benessere è individuale e non collettivo: corrisponde per definizione al soddisfacimento psicofisico di un singolo individuo Il benessere è globale e non singolare: vari fattori ambientali interagiscono fra loro e le percezioni sensoriali si sovrappongono provocando un effetto sinergico che dà origine alla sensazione di benessere La qualità ambientale dipende da tipologie differenti, seppure fortemente interrelate, di benessere, e cioè: benessere termoigrometrico benessere respiratorio - olfattivo benessere visivo - illuminotecnico benessere acustico Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 3 Benessere (comfort) Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 4 Benessere Termoigrometrico 2

3 Benessere (comfort) Benessere termoigrometrico (thermal comfort): condizione psicofisica di soddisfazione nei confronti dell'ambiente termico stato di neutralità termica, incui il soggetto non sente né caldo né freddo Benessere respiratorio olfattivo (Indoor Air Quality, IAQ): stato di soddisfazione di un individuo nei confronti dell'aria che respira, in cui non sono presenti inquinanti in concentrazioni ritenute nocive per la salute dell uomo Benessere visivo illuminotecnico: stato in cui l individuo può svolgere nel modo migliore i diversi compiti visivi (visual task) relativi all attività che sta svolgendo Benessere acustico: stato di soddisfazione di un individuo, nei confronti di un campo di pressione sonora, tenuto conto anche dell attività che sta svolgendo Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 5 Benessere termoigrometrico Lo scostamento dalla condizione di benessere termoigrometrico è l insoddisfazione, che può essere causata da: disagio per la sensazione di caldo o freddo che prova il corpo nel suo complesso non desiderato raffreddamento (o riscaldamento) di una particolare parte del corpo (es. da corrente d'aria) differenza verticale di temperatura tra testa e caviglie troppo elevata pavimento troppo caldo o troppo freddo asimmetria della temperatura radiante troppo elevata potenza metabolica troppo elevata abbigliamento non adeguato Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 6 Benessere Termoigrometrico 3

4 Benessere termoigrometrico Si hanno condizioni di benessere termoigrometrico quando i parametri ambientali, agendo sugli scambi termici sensibili e latenti del corpo umano, annullano le sensazioni di caldo o freddo percepite dal soggetto (neutralità termica) Ciò senza interventi massicci del sistema di regolazione del corpo in quanto interventi estremi risultano fonte di disagio Variabili principali che influenzano il benessere termico: la temperatura di bulbo secco dell aria, t a la temperatura media radiante, t r l umidità relativa dell aria, φ la velocità media relativa dell aria, v ar la potenza metabolica (attività), M la resistenza termica del vestiario, I cl progettista soggetto Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 7 Metabolismo umano Il corpo umano può essere considerato una macchina termodinamica che converte l energia chimica dei cibi in energia termica e lavoro Potenza metabolica: M in W o W/m 2 oinmet 1 met = 58,2 W/m 2 = 50 kcal/(hm 2 ) 1 met potenza metabolica prodotta da una persona seduta a riposo Lavoro compiuto: W in W o W/m 2 Rendimento meccanico: η = W/M (0 η 0,20) Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 8 Benessere Termoigrometrico 4

5 Potenza metabolica Attività M, W/m 2 M, met Disteso 46 0,8 Seduto e rilassato 58 1,0 Attività sedentaria (ufficio, scuola, casa, 70 1,2 laboratorio) Attività leggera in piedi (compere, 93 1,6 laboratorio, industria leggera) Attività media in piedi (commesso, 116 2,0 lavori domestici, lavori a macchina) Camminare a 2 km/h 110 1,9 Camminare a 4 km/h 165 2,8 Camminare a 5 km/h 200 3,4 Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 9 Area superficiale del corpo umano Relazione di DuBois (1916) A 0,202m, h, A b : area del corpo umano (nudo), in m 2 m b : massa del corpo umano, in kg h b : altezza del corpo umano, in m Perunuomoconm b =70kgeh b =1,73m: A b =1,8m 2 Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 10 Benessere Termoigrometrico 5

6 Temperatura del corpo umano Relazione di Gagge (1970) t 0,9t 0,1t t b : temperatura media convenzionale del corpo umano, in C t cr : temperatura interna del «nucleo» del corpo umano, in C t sk : temperatura della pelle, in C Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 11 Termoregolazione del corpo umano L autoregolazione della temperatura corporea tende a mantenere il nucleo del corpo umano a temperatura all incirca costante (37 C) Man mano che le condizioni ambientali si fanno progressivamente più estreme si registra: Con aumento della temperatura vasodilatazione, con incremento della conducibilità termica della pelle e dello smaltimento di calore proveniente dal corpo umano incremento progressivo della sudorazione riduzione dell attività fisica (riduzione della potenza metabolica M) Con diminuzione della temperatura vasocostrizione, con riduzione della conducibilità termica della pelle aumento della tensione muscolare (aumento di M) comparsa di brividi e battito di denti (ulteriore aumento di M) assunzione di posizioni corporee contratte al fine di ridurre gli scambi termici Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 12 Benessere Termoigrometrico 6

7 Termoregolazione del corpo umano In regime invernale (20 C), per attività moderata (M 1,2 met), la cessione del calore per convezione C ed irraggiamento R rappresenta circa il 70 80% di M In regime estivo (27 C) l evaporazione eguaglia le altre modalità di scambio termico, mentre per valori di temperatura sensibilmente superiori diventa dominante Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 13 Termoregolazione del corpo umano L ipotalamo, al centro dell encefalo, è l organo centrale di controllo della temperatura Esso ha sensori della temperatura del sangue arterioso e riceve informazioni dai recettori termici della pelle, dell intestino ecc. Esso reagisce a deviazioni dalle temperature di set point: 34 C per la pelle, 36,8 C per il nucleo a riposo (37,9 C in esercizio fisico) Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 14 Benessere Termoigrometrico 7

8 Bilancio energetico del corpo umano S M W E E E C C R C W Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 15 Bilancio energetico del corpo umano S M W E E E C C R C W S : variazione di energia interna del corpo umano S > 0 : riscaldamento S < 0 : raffreddamento S = 0 : omeotermia M : potenza metabolica E d : potenza termica dispersa per diffusione di vapore attraverso la pelle E sw : potenza termica dispersa per sudorazione Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 16 Benessere Termoigrometrico 8

9 Bilancio energetico del corpo umano S M W E E E C C R C W E ve : potenza termica dispersa nella respirazione come calore latente C ve : potenza termica dispersa nella respirazione come calore sensibile C: potenza termica dispersa per convezione R: potenza termica dispersa per irraggiamento C k : potenza termica dispersa per conduzione Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 17 Bilancio energetico del corpo umano A volte il bilancio è scritto in forma più sintetica S M W E R C R C W Ponendo E E E W R E C W Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 18 Benessere Termoigrometrico 9

10 Potenza accumulata nel corpo umano S può essere suddiviso tra pelle e nucleo S S S S α m c, t t S 1 α m c, t t c p,b = 3490 J/(kgK) sk = frazione di massa corporea concentrata nel compartimento «pelle» (dipende dal flusso sanguigno nella regione periferica considerata pelle) Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 19 Potenza termica dispersa per diffusione di vapore attraverso la pelle E rm A p p 3,05 10 A 256t 3373 φp r = 2, J/kg: calore latente del vapore alla temperatura della pelle t sk M v = 1, kg/(sm 2 Pa): permeanza della pelle al vapore d acqua A b = 1,8 m 2 : area convenzionale del corpo umano (nudo) p sk : pressione del vapore alla temperatura della pelle, Pa p v = φp sa : pressione parziale del vapore in ambiente, Pa Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 20 Benessere Termoigrometrico 10

11 Potenza termica dispersa per sudorazione E m r m = portata massica di sudore prodotto dalla ghiandole sudoripare kg/s r = 2, J/kg: calore latente del vapore alla temperatura della pelle t sk Frazione di bagnatura della pelle w (wettedness) In condizioni normali, la bagnatura dovuta alla diffusione non supera il 6% del totale w 0,06 0,94 E E Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 21 Potenza termica dispersa nella respirazione E rm x x 0,0173 M 5,87 φp r = 2, J/kg: calore latente del vapore ala temperatura t sk M = 1, M kg/s: portata d aria respirata (ventilazione polmonare) x ex : umidità assoluta dell aria espirata x a : umidità assoluta in ambiente p v = φp sa : pressione parziale del vapore d acqua in ambiente, in kpa C 0,0014 M 34 t Per una temperatura di espirazione di 34 C Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 22 Benessere Termoigrometrico 11

12 Potenza termica dispersa per convezione C f A h t t f A f : fattore d area dell abbigliamento ( 1 1,4) h c : coefficiente di convezione abiti-aria, in W/(m 2 K) t cl : temperatura media della superficie esterna del corpo umano vestito, in C t a : temperatura dell aria ambiente, in C A Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 23 Coefficiente di convezione, h 2,38 t t per 2,38 t t, 12,1 v h 12,1 v per2,38 t t, 12,1 v In pratica il primo caso è tipico della convezione naturale ed il secondo della convezione forzata v : velocità relativa dell aria rispetto al corpo umano v a : velocità dell aria v v 0,0052 M A 58,2 per M A 1 met Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 24 Benessere Termoigrometrico 12

13 Temperatura esterna dell abbigliamento t 35,7 0,028 M A 1 η I 3,96 10 f t 273 t 273 f h t t Il calcolo di t cl e h c può essere risolto iterativamente Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 25 Potenza termica dispersa per irraggiamento R A εσ t 273 t 273 3,96 10 f A t 273 t 273 A A f f f A A A : area efficace del corpo umano, in m 2 f eff 0,71 : coefficiente di area efficace ε 0,975: emissività media del corpo umano vestito (media tra pelle ε sk 1 e vestiti ε cl 0,95) 0 = 5, W/(m 2 K 4 ): costante di Stefan-Boltzmann t r : temperatura media radiante,in C Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 26 Benessere Termoigrometrico 13

14 Temperatura media radiante t r : temperatura media radiante, in C = temperatura uniforme di una cavità nera virtuale nella quale un occupante scambierebbe per irraggiamento la stessa quantità di energia termica che scambia nell ambiente reale non uniforme t F T / 273,15 F bi : fattori di forma tra il corpo umano e la superficie circostante i-esima T i : temperatura assoluta, in K, della superficie circostante i-esima Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 27 Temperatura operativa Linearizzando l espressione per la potenza termica scambiata per irraggiamento R f A h t t h r : coefficiente di irraggiamento corpo umano-aria, in W/(m 2 K) t t h 4εσ f 273,15 2 Sommando le potenze scambiate per irraggiamento e per convezione R C f A h t t h t t Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 28 Benessere Termoigrometrico 14

15 Temperatura operativa Introducendo il coefficiente di adduzione Elatemperatura operativa Si ha h h h t h t h t h R C f A h t t Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 29 Temperatura operativa t o : temperatura operativa, in C = temperatura uniforme di una cavità nera virtuale nella quale un occupante scambierebbe per irraggiamento e convezione la stessa quantità di energia termica che scambia nell ambiente reale non uniforme Per differenze t t 4 Csi può approssimare t o come (ISO 7730): t At 1 A t v ar, m/s A < 0,2 0,5 0, ,6 0,6 1,0 0,7 Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 30 Benessere Termoigrometrico 15

16 Resistenza termica dell abbigliamento R cl : resistenza termica dell abbigliamento, in m 2 K/W = resistenza termica unitaria di un solido ideale, disposto uniformemente su tutto il corpo, che per una temperatura della pelle t sk e una temperatura della superficie esterna pari a t cl, disperderebbe una potenza termica R + C R C A t t R Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 31 Resistenza termica dell abbigliamento La resistenza termica dell abbigliamento si esprime spesso in clo e si indica con I cl 1 clo = 0,155 m 2 K/W = 0,180 m 2 Kh/kcal 1 clo resistenza termica dell abbigliamento occidentale da ufficio R C A t t 0,155I t t R C A 0,155I 1 hf Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 32 Benessere Termoigrometrico 16

17 Resistenza termica dell abbigliamento Abiti giornalieri I cl, clo Corpo umano nudo 0 Vestito estivo 0,3 0,6 Vestito tipico da ufficio 1 Abbigliamento invernale 0,7 1,2 Vestito pesante con soprabito 1,8 Valori dettagliati di I cl in ISO 9920 Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 33 Fattore d area dell abbigliamento Secondo ISO 7730 f 1,00 1,290R per R 0,078 m K W f 1,05 0,645R per R 0,078 m K W Espressioni alternative f 1,00 0,2I per I 0,5 clo f 1,05 0,1I per I 0,5 clo Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 34 Benessere Termoigrometrico 17

18 Benessere (teoria di O. Fanger, 1970) Condizione necessaria: equilibrio termico (omeotermia), cioè imponendo S = 0 nell equazione di bilancio M 1 η 3,05 10 A 256t 3373 φp E 0,0014M 34 t 0,0173M 5,87 φp A Condizioni fisiologiche aggiuntive (determinate sulla base dell analisi statistica di esperimenti controllati): Sudorazione adeguata all attività metabolica svolta: E 0,42A M W A 58,2 Temperatura della pelle adeguata all attività metabolica svolta: t 35,7 0,0275 M W A, Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 35 Camere climatiche di prova Fanger condusse esperimenti su oltre 1300 soggetti Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 36 Benessere Termoigrometrico 18

19 Scala ASHRAE delle sensazioni termiche Voto Sensazione Sensation +3 molto caldo hot +2 caldo warm +1 leggermente caldo slightly warm 0 neutro (né caldo né freddo) neutral -1 leggermente freddo slightly cool -2 freddo cool -3 molto freddo cold È necessaria una differenza di temperatura di 3 C o di pressione parziale di vapore di 3 kpa per cambiare categoria Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 37 Zone di comfort invernale ed estivo ASHRAE (v a < 0,2 m/s, M < 1,1 met) Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 38 Benessere Termoigrometrico 19

20 ASHRAE: Efficienza lavorativa in ufficio vs. scostamento dalla temperatura di comfort Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 39 Carico termico Carico termico L = differenza tra la potenza metabolica non trasformata in lavoro e la potenza termica che il soggetto disperderebbe se si trovasse in condizioni di benessere termoigrometrico Introducendo le 3 condizioni di Fanger nel bilancio energetico del corpo umano si ottiene L M W E E E C C R dove le grandezze asteriscate sono riferite alle condizioni ideali di benessere e non a quelle reali Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 40 Benessere Termoigrometrico 20

21 Indice PMV Predicted Mean Vote PMV = voto medio previsto nelle condizioni di carico termico date Sulla base dell elaborazione statistica dei dati rilevati nelle camere climatiche Fanger ha ottenuto PMV 0,303 exp 0,036 M A 0,028 L Sostituendo l espressione per L PMV 0,303 exp 0,036 M A 0,028 M A 1 η 3, ,99 M A 1 η φp 0,42 M A 1 η 58,15 1,7 10 M A 5867 φp 0,0014 M A 34 t f h t t 3,96 10 f t 273 t 273 Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 41 Indice PMV Per come è stato ricavato, l indice PMV vale nelle seguenti condizioni (ambienti termicamente moderati) Grandezza Intervallo di validità M 0,8 4 met I cl 0 2 clo t a C t r C v a 0 1 m/s p v 0 2,7 kpa PMV -2, +2 Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 42 Benessere Termoigrometrico 21

22 Indice PMV - Esempio Velocità dell aria e temperatura operativa per PMV = 0 Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 43 Indice PMV - Esempio Temperatura media radiante e temperatura dell aria per PMV = 0 Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 44 Benessere Termoigrometrico 22

23 Indice PPD Predicted Percentage of Dissatisfied PPD = percentuale prevista di persone che, nelle condizioni di carico termico date, darebbero PMV +2 o PMV -2 Sulla base dell elaborazione statistica dei dati rilevati nelle camere climatiche Fanger ha ottenuto PPD 100 0,95 exp 0,03353PMV 0,2179PMV Anche per PMV = 0 PPD = 5% Per ragioni principalmente economiche: la ISO 7730 accetta PPD 10% cioè -0,50 PMV +0,50 l ASHRAE 55 accetta PPD 20% cioè -0,85 PMV +0,85 Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 45 Relazione tra PPD e PMV Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 46 Benessere Termoigrometrico 23

24 Indici di disagio globali e locali L equazione del benessere di Fanger correla 6 grandezze che possono essere regolate per ottenere condizioni di benessere termoigrometrico globale f M, I,t,φ,v,t 0 Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 47 Indici di disagio globali e locali Anche in presenza di condizioni di benessere locale si possono verificare condizioni di disagio locale, dovute a: Disuniformità della velocità dell aria (correnti d aria) Differenza verticale della temperatura dell aria Pavimento troppo caldo o troppo freddo Disuniformità della temperatura delle pareti (asimmetria radiante) Il disagio locale è avvertito soprattutto da persone che svolgono attività sedentaria o leggera, vicine alla neutralità termica Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 48 Benessere Termoigrometrico 24

25 Disuniformità locali della velocità dell aria Il disagio dipende dalla velocità dell aria, dalla temperatura dell aria e dall intensità della turbolenza Tu, in%: Tu 100 s v v s(v a ) è lo scarto tipo della velocità dell aria, misurata con un anemometro con costante di tempo di 0,2 s In mancanza di dati si assume Tu 0,40 Fanger (1986) ha sviluppato il seguente modello di draught risk, DR, o percentage of dissatisfied,pd: PD 34 t v 0,05, 0,37v Tu 3,14 Se v a < 0,05 m/s v a = 0,05 m/s Se PD > 100% PD = 100% Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 49 Disuniformità locali della velocità dell aria PD per correnti d aria attorno alla testa Curve a PD = 15% dal modello di Fanger con Tu Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 50 Benessere Termoigrometrico 25

26 Differenza verticale della temperatura dell aria Valutati come differenza di temperatura tra testa e caviglie Più fastidiosa se temperatura testa > temperatura caviglie ISO 7730: accetta PPD 5%, cioè t a,v = 3 C, soggetto seduto ASHRAE 55: accetta PPD 5%, cioè t a,v = 3 C, soggetto in piedi Il seguente modello della percentuale di insoddisfatti PD vale per t a,v <8 C 100 PD 1 exp 5,76 0,856 t, Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 51 Differenza verticale della temperatura dell aria Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 52 Benessere Termoigrometrico 26

27 Pavimento troppo caldo o troppo freddo Il disagio dipende dal fatto che le persone siano a piedi nudi (piscine, palestre, spogliatoi) o calzati Se le persone sono a piedi nudi, dipende anche da tipo di materiale di finitura del pavimento La percentuale di insoddisfatti PD, per persone con scarpe, sedentarie o in piedi, si può calcolare come: PD exp 1,387 0,118t 0,0256t t f : temperatura del pavimento, in C Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 53 Pavimento troppo caldo o troppo freddo Grafico combinato per persone con scarpe leggere Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 54 Benessere Termoigrometrico 27

28 Disuniformità della temperatura delle pareti Disagio causato soprattutto da vetrate fredde in inverno o pannelli radianti a soffitto, più sensibile tra destra-sinistra che fronte-retro Temperatura piana radiante t pr,in C=temperaturauniforme di una semispazio nero virtuale nella quale un elemento piano scambierebbe per irraggiamento la stessa quantità di energia termica che scambia nell ambiente reale non uniforme Differenza di temperatura piana radiante t pr, in C = differenza di t pr tra le due facce opposte di un elemento piano Sulla base degli studi di Fanger (1980): In direzione orizzontale, per PD 5% t pr <10 C In direzione verticale, per PD 5% t pr <5-7 C Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 55 Disuniformità della temperatura delle pareti Soffitto caldo 100 PD 1 exp 2,84 0,174 t 5,5, t 23 C Parete fredda 100 PD 1 exp 6,61 0,345 t, t 15 C Soffitto freddo 100 PD 1 exp 9,93 0,505 t, t 15 C Parete calda 100 PD 1 exp 3,72 0,052 t 3,5, t 35 C Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 56 Benessere Termoigrometrico 28

29 Disuniformità della temperatura delle pareti Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 57 Categorie di ambienti (ISO 7730 App. A) L ambiente termoigrometrico desiderato per uno spazio può essere scelto nell ambito delle tre categorie riportate in tabella Per ogni categoria, il criterio globale (PPD-PMV) ed i criteri locali dovrebbero essere soddisfatti contemporaneamente Categoria PPD PMV DR PD, t a,v PD, t f PD, t pr A < 6% -0,2, +0,2 < 10% < 3% < 10% < 5% B < 10% -0,5, +0,5 < 20% < 5% < 10% < 5% C < 15% -0,7, +0,7 < 30% < 10% < 15% < 10% Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 58 Benessere Termoigrometrico 29

30 Esempi di criteri sintetici (ISO 7730 App. A) Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 59 Benessere Termoigrometrico Fine Massimo Garai DIN - Università di Bologna Copyright (C) Massimo Garai - Università di Bologna 60 Benessere Termoigrometrico 30