Fisica Tecnica. Dr. Roberta Cocci Grifoni

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1 Fisica Tecnica Scienze dell Architettura Dr. Roberta Cocci Grifoni Ascoli Piceno ARIA UMIDA L aria atmosferica viene solitamente indicata come aria umida, e può essere considerata come una miscela di un componente gassoso l aria secca (78% azoto, 21% ossigeno, e altri gas) e di una piccola quantità di vapore acqueo surriscaldato (dell ordine di alcuni grammi per kilogrammo di aria). Questa piccola quantità è però molto importante perché può condensare in corrispondenza a superfici a bassa temperatura: in tal caso lo stato della miscela varia, impoverendosi di vapore. Le grandezze rilevanti nello studio del comportamento dell aria umida sono principalmente la temperatura, la pressione, l umidità relativa, il grado igrometrico, l entalpia. 1

2 ARIA UMIDA Come mostrato in figura viene posto un contenitore pieno d acqua sotto una campana dove è presente aria secca mantenendo T e P costanti. Dopo un certo tempo parte dell acqua presente nel contenitore evapora. Il vapore formatosi si disperde nella campana, trasformando l aria secca in aria umida. Il processo continua fino a che la pressione parziale del vapore saturo eguaglia la pressione di saturazione dell acqua in funzione della temperatura T alla quale si opera. Supponiamo di avere una bilancia opportunamente tarata sotto al contenitore d acqua. Possiamo ora introdurre il concetto di titolo, così definito: ARIA UMIDA Come mostrato in figura viene posto un contenitore pieno d acqua sotto una campana dove è presente aria secca mantenendo T e P costanti. Dopo un certo tempo parte dell acqua presente nel contenitore evapora. Il vapore formatosi si disperde nella campana, trasformando l aria secca in aria umida. Il processo continua fino a che la pressione parziale del vapore saturo eguaglia la pressione di saturazione dell acqua in funzione della temperatura T alla quale si opera. Supponiamo di avere una bilancia opportunamente tarata sotto al contenitore d acqua. Possiamo ora introdurre il concetto di titolo, così definito: dove M vap indica la massa del vapore e M aria la massa dell aria secca. Attenzione a non confondere il titolo appena definito con quello usato per caratterizzare i vapori saturi, che si indica con lo stesso simbolo x. Nel caso dell aria secca, si avrà x = 0 mentre nel caso di vapore aqueo puro, x Il titolo è il rapporto tra pesi di sostanze chimiche diverse e non si tratta quindi di un numero puro, solitamente il titolo viene espresso in g vap /kg aria. 2

3 ARIA UMIDA Il secondo metodo per indicare l umidità dell aria, è il cosiddetto grado igrometrico (detta anche umidità relativa, o U.R.), così definito: dove P vap indica la pressione del vapore nella miscela aria- vapore considerata, e P sat la pressione di saturazione del vapore acqueo alla temperatura di analisi. Questa grandezza è sempre compresa tra 0 e 1, quindi può essere rappresentata in forma percentuale (tramite una semplice moltiplicazione per 100). Tale grandezza viene comunemente utilizzata e fuori da un ambito ingegneristico viene preferita al titolo. E evidente che l umidità relativa non possa mai superare il 100%. Se così fosse, si avrebbe P vap > P sat, impossibile in condizioni stazionarie perché in questo caso parte del vapore condenserebbe, e la pressione del vapore tenderebbe quindi ad abbassarsi fino a tornare ad un valore lecito. Tuttavia il grado igrometrico presenta uno svantaggio: l U.R. non indica in senso assoluto quanto vapore acqueo è contenuto nell aria, ma piuttosto ci da un idea di quanto l aria sia distante dalla saturazione. ARIA UMIDA Il metodo migliore per legare i concetti di titolo, grado igrometrico e temperatura è il diagramma psicrometrico, esiste comunque anche un analisi analitica, facilmente ottenibile considerando aria e vapore acqueo gas perfetti, in queste condizioni è possibile utilizzare la legge di Dalton (per le miscele di gas perfetti, si può considerare il volume a disposizione di ciascun gas uguale al volume totale) da cui segue dove n v e n a rappresentano rispettivamente il numero di moli di vapore e di aria secca presenti nella miscela di aria umida considerata, m v e m a le masse molari dei due componenti (essendo l aria un miscuglio di vari gas, la sua massa molare viene calcolata come media pesata delle masse molari dei vari componenti). Infine P tot è la pressione totale della massa d aria umida considerata e P sat la pressione di saturazione del vapore alla temperatura considerata (questa grandezza si ottiene delle apposite tabelle del vapore). 3

4 ARIA UMIDA ARIA UMIDA Chiaramente la relazione si può invertire, ottenendo il grado igrometrico in funzione del titolo (e della temperatura della massa d aria analizzata), ottenendo dove le grandezze hanno lo stesso significato di prima. Occorre però fare una precisazione: il grado igrometrico può valere al massimo 1, quindi è necessario imporre questo vincolo quando si applica la formula di conversione. Se il risultato è superiore a 1, sicuramente i dati utilizzati non sono validi, ossia non siamo in una situazione reale. Il valore di x tale per cui ϕ = 1, è detto titolo di saturazione. Per ogni particolare temperatura non è possibile che il titolo di una massa d aria umida superi il titolo di saturazione (che varia in funzione di T). 4

5 ARIA UMIDA Chiaramente la relazione si può invertire, ottenendo il grado igrometrico in funzione del titolo (e della temperatura della massa d aria analizzata), ottenendo Un fenomeno interessante legato a questi concetti è quello della nebbia. La nebbia si forma quando l umidità relativa dell aria è esattamente del 100% (ossia il titolo è pari a quello di saturazione). Si tratta di una situazione molto stabile, perché qualunque variazione della temperatura viene immediatamente controbilanciata dal comportamento dell acqua. Supponiamo per esempio che la temperatura ambiente diminuisca: parte del vapore si condensa, producendo il calore latente di vaporizzazione, che va immediatamente a riscaldare l ambiente. ENTALPIA SPECIFICA E possibile definire il concetto di entalpia specifica J come h A =entalpia aria secca h V =entalpia vapor d acqua si dove r è il calore latente di vaporizzazione. sostituendo si ottiene è da ritenersi un ottimo strumento per la risoluzione di tutti quei problemi dove (come è stato implicitamente fatto nei passaggi per arrivarci) è consentita l approssimazione a gas perfetto della miscela acqua-vapore. 5

6 DIAGRAMMA PSICOMETRICO Il diagramma psicrometrico è stato introdotto per la prima volta con l Igrometro di Assman (detto appunto Psicrometro), attualmente uno dei modelli di igrometro più usato Il grafico riporta in ordinata il titolo e in ascissa le temperature. L entalpia si legge su una retta trasversale situata al di sopra di una curva particolare detta curva di saturazione DIAGRAMMA PSICOMETRICO 6

7 DIAGRAMMA PSICOMETRICO Sull asse delle ascisse si trova la temperatura; un percorso lungo una linea retta verticale indica una variazione dello stato psicometrico a T costante. L ordinata rappresenta il titolo x (misurato in questo caso in g vap /kg aria ); quindi uno spostamento orizzontale non determina una variazione del rapporto fra quantità d aria secca e vapore. Le linee diagonali decrescenti, come si può facilmente dedurre dal diagramma, sono le curve isoentalpiche, l entalpia specifica J viene misurata in KJ/kg aria. Infine le curve crescenti, ciascuna identificata da un numero compreso tra 10 e 100 sono le curve a grado igrometrico costante. Per esempio la curva indicata dal numero 10 rappresenta un umidità relativa del 10%, e così via per le altre. Ovviamente la prima curva da sinistra indica la regione dove ϕ= 1 (U.R. del 100%); oltre questa curva si entra in una situazione impossibile, perché come già detto il grado igrometrico non può superare il valore 1 (saturazione). DIAGRAMMA PSICOMETRICO 7

8 Temperatura di Rugiada Si supponga il caso in cui si sottragga calore; l aria si raffredda fino a che il punto rappresentativo del suo stato viene a trovarsi sulla curva di saturazione. Se si continua a sottrarre calore (la temperatura scende ma il suo titolo rimane costante) parte del vapore presente condensa e quindi si assiste alla comparsa di goccioline d acqua sulla superficie stessa che raffreddava l aria. Definizione: La temperatura minima alla quale una miscela d aria e vapore può essere raffreddata a titolo costante è la TEMPERATURA DI RUGIADA t r, riconoscibile per via grafica o attraverso la risoluzione dell equazione: Temperatura di Rugiada 8

9 DIAGRAMMA PSICOMETRICO Si consideri un corpo bagnato; se esso non riceve calore si porta a condizioni termodinamiche d equilibrio in virtù del fatto di essere bagnato T B < T A dove T A è la temperatura dell aria e T B è la temperatura del tubo. Un corpo bagnato infatti tende a portarsi ad una temperatura più bassa di quella dell aria affinché l aria stessa gli ceda calore per fenomeni di scambio termico (questo avviene indipendentemente dalla forma del corpo). Si tratta di una trasformazione a energia costante. E un processo di saturazione adiabatica isoentalpica, ossia di un fenomeno che consiste nell evaporazione di acqua a spese del calore sensibile dell aria, inteso come scambio di energia termica che è accompagnato da una variazione di temperatura. 9

10 DIAGRAMMA PSICOMETRICO Dal grafico la temperatura di bulbo bagnato si ottiene connettendo il corpo A con B sulla curva di saturazione attraverso una linea a J costante. DIAGRAMMA PSICOMETRICO Un operazione utile da effettuare sul diagramma psicrometrico è calcolare la pendenza delle curve a J=costante. Indicando con t la temperatura in gradi centigradi si ha di conseguenza il differenziale di J vale ma poichè stiamo analizzando curve a J = costante, necessariamente dj = 0, cioè A temperatura ambiente (-10 C 40 C) ovviamente 2500 >> 1,9.t e quindi possiamo trascurare il termine, ottenendo un equazione approssimata della forma 10

11 DIAGRAMMA PSICOMETRICO Il diagramma psicrometrico viene utilizzato ai fini del calcolo delle trasformazioni subite dalle miscele d aria e vapor d acqua ed è riferito alla pressione atmosferica standard (circa 1,013 bar). Lo stato fisico di una miscela (temperatura, umidità, entalpia) viene rilevato sul diagramma noti due qualsiasi parametri. Diagramma Psicrometrico Paroncini

12 Riscaldamento senza umidificazione A B Paroncini 1999 Raffreddamento senza deumidificazione B A Paroncini

13 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Il problema della condensazione del vapor d acqua, sia che avvenga sulle superfici delle strutture, sia che avvenga all interno delle stesse, rappresenta un rischio sotto un duplice aspetto: quello legato alla conservazione delle strutture e quello legato alla salubrità degli ambienti. In anni relativamente recenti la necessità di contenere le dispersioni termiche ha favorito l adozione indiscriminata di serramenti dotati di ottima tenuta all aria che, in assenza di ventilazione meccanica, ha però comportato una sensibile riduzione della ventilazione naturale con conseguente ulteriore aggravio del problema in esame causato dall aumento dell umidità presente nell aria ambiente. La formazione di condensa, fenomeno tipico di strutture poco isolate (ponti termici), può peraltro manifestarsi anche in presenza di strutture ben isolate dove però la collocazione dello strato isolante è malposta rispetto alla permeabilità degli strati rimanenti. LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Come si ricorda dalla trattazione delle miscele d aria secca e vapor d acqua, la condensazione del vapor d acqua si verifica quando la pressione parziale dello stesso raggiunge la pressione di saturazione, quest ultima funzione della temperatura (temperatura di condensazione o di rugiada); a parità di temperatura, più alto è il contenuto di vapore, e quindi più alta l umidità relativa, maggiori sono i rischi della formazione di condensa (la condensazione può manifestarsi anche in presenza di modesti raffreddamenti dell aria ambiente). Nella tabella che segue sono riportati nuovamente i valori della pressione parziale del vapore d acqua nelle condizioni di saturazione (P sat,p s ) in funzione della temperatura della miscela di aria umida; per valori diversi della temperatura la corrispondente p s può essere determinata per interpolazione lineare. 13

14 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Valori della pressione del vapore nelle condizioni di saturazione p s al variare della temperatura (si ricorda che 1 bar = 10 5 Pa) LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Al fine di verificare l insorgere o meno della condensa occorre pertanto controllare che la temperatura, superficiale e/o interna alla parete, sia maggiore della relativa temperatura di condensazione (ovvero che la pressione parziale del vapore sia maggiore della pressione di saturazione). Nel caso specifico, l analisi del fenomeno fisico attiene alla diffusione molecolare di un gas (il vapor d acqua) in un solido ed è esprimibile mediante la legge di Fick; La concentrazione è la grandezza che governa il flusso di materia per diffusione. Ciò significa che se, in una porzione di spazio occupata da un sistema costituito da una miscela di specie chimiche diverse, esiste un gradiente di concentrazione di uno dei componenti, quel componente diffonderà da zone dove la concentrazione è elevata a zone dove la concentrazione è più bassa. La legge che descrive il trasporto di materia per diffusione è la legge di Fick che porge: g i è il flusso specifico di massa della specie i-esima D i è una costante di proporzionalità n è il numero di moli 14

15 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Le semplificazioni che ne derivano unitamente al poter considerare il vapor d acqua un gas perfetto, fanno si che la determinazione del flusso di vapore che si diffonde all interno di un solido può essere espressa in termini del gradiente di pressione che si instaura a causa delle variazioni di temperatura e quindi della densità (o in altri termini al variare della concentrazione del vapor d acqua nell aria); la trattazione del problema diviene allora del tutto analoga dal punto di vista fisico ed analitico a quanto visto per la trasmissione del calore LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Il nuovo parametro fisico che caratterizza i componenti è quindi la permeabilità al vapore o diffusività δ (g /m s Pa) ovvero un coefficiente che rappresenta la quantità di vapore che passa nell unità di tempo attraverso un materiale di spessore unitario, a causa di una differenza unitaria di pressione 15

16 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Nella Tabella che segue sono riportati i valori di permeabilità di alcuni tipici materiali da costruzione desunti dalle norme UNI (in tali norme sono riportati congiuntamente anche i valori di conducibilità termica). Valori indicativi medi della permeabilità al vapore δ (D v ) e della resistenza al flusso di vapore μ per alcuni materiali di usuale impiego in edilizia LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Il flusso di vapore ha luogo quando si crea un differenziale di pressione; il verso del flusso va dagli ambienti più caldi a quelli più freddi (al maggior contenuto di vapore dei primi corrisponde una maggiore pressione), e quindi si verifica generalmente dall interno verso l esterno degli ambienti sia nei mesi estivi che invernali. In generale si rileva che la condensazione interna non ha luogo nelle pareti omogenee ma in quelle multistrato. In particolare si osserva che se lo strato rivolto verso l ambiente caldo è più ricco di vapor d acqua presenta una maggiore conducibilità termica; in tal caso la pressione parziale del vapor d acqua pv raggiunge valori elevati in zone della parete che (a causa della bassa resistenza termica) si trovano a temperature relativamente basse e di conseguenza con valori della pressione di saturazione p s modesti: tali zone si considerano pertanto ad elevato rischio di condensazione ( p v p s ). Il problema, come si vedrà, può essere affrontato disponendo uno strato isolante verso il lato freddo (isolamento a cappotto), innalzando così il valore della temperatura e quindi della pressione di saturazione; in alternativa, ma solo nei casi non altrimenti risolvibili, si può disporre una barriera al vapore verso il lato caldo della parete e quindi abbassando il valore della pressione parziale del vapore. 16

17 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Per valutare il rischio di condensa si può percorrere la strada analitica attraverso la legge di Fick determinando la quantità di vapore eventualmente condensato, oppure si può risolvere il problema graficamente ricorrendo al Diagramma di Glaser; tale diagramma consiste nel rappresentare unitamente all andamento dei valori di temperatura all interno della struttura anche i relativi valori della pressione di saturazione; confrontando questi ultimi con i valori delle pressioni parziali si è in grado di stabilire, seppure con un grado di incertezza piuttosto elevato, la possibilità di rischi di condensazione.. Applichiamo il procedimento per la costruzione del diagramma di Glaser all esempio della parete multistrato: LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA 1. si calcola il valore della pressione parziale del vapore nelle condizioni di saturazione p s in corrispondenza della superficie di ogni strato di materiale, in funzione della temperatura superficiale di ogni singolo strato utilizzando la tabella ed interpolando 2. il valore degli spessori equivalenti di ogni singolo strato di materiale, definiti come il prodotto dello spessore reale del materiale per il corrispondente valore della resistenza al passaggio del vapore del relativo materiale, cioè s i = s i μ i 3. si calcola il valore della pressione parziale del vapore corrispondente alla superficie interna ed esterna della parete per i relativi valori di umidità relativa e di temperatura 4. ora è possibile disegnare il diagramma in opportuna scala e verificare la presenza di eventuale formazione di condensa all interno della parete 17

18 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA 1. si calcola il valore della pressione parziale del vapore nelle condizioni di saturazione ps in corrispondenza della superficie di ogni strato di materiale, in funzione della temperatura superficiale di ogni singolo strato utilizzando la tabella ed interpolando LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA il valore degli spessori equivalenti di ogni singolo strato di materiale, definiti come il prodotto dello spessore reale del materiale per il corrispondente valore della resistenza al passaggio del vapore del relativo materiale, cioè s i = s i μ i 18

19 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA 1. si calcola il valore della pressione parziale del vapore corrispondente alla superficie interna ed esterna della parete per i relativi valori di umidità relativa e di temperatura LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA 1. ora è possibile disegnare il diagramma in opportuna scala e verificare la presenza di eventuale formazione di condensa all interno della parete Diagramma di Glaser 2500 Pa Pressione di saturazione pressione parziale del vapore 0 m 19

20 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Come già accennato, il problema può essere risolto operando in diverse maniere, per esempio disponendo una barriera al vapore verso il lato caldo della parete e quindi abbassando il valore della pressione parziale del vapore, oppure disponendo uno strato isolante verso il lato freddo, facendo cioè un isolamento a cappotto, innalzando così il valore della temperatura e quindi della pressione di saturazione. Vediamo questi due casi graficamente costruendone i relativi diagrammi di Glaser. Caso 1 utilizzo di una barriera al vapore in polietilene dello spessore di 0,1 mm posizionata sul lato caldo della parete, cioè partendo dall interno, prima dell isolante termico LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Caso 1 utilizzo di una barriera al vapore in polietilene dello spessore di 0,1 mm posizionata sul lato caldo della parete, cioè partendo dall interno, prima dell isolante termico Come si evince dall andamento Diagramma delle temperature delle temperature, in corrispondenza dello strato isolante si ha l abbassamento 10 maggiore di temperatura e 5 temperatura quindi qui è notevole il rischio di 0 condensazione; I materiali isolanti come le fibre minerali, m dotati di un elevata permeabilità vengono per questo commercializzati con una faccia rivestita di uno strato barriera vapore (ad esempio carta bitumata o polietilene). C 20

21 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Riprendendo l esempio suddetto si ipotizzi di inserire tra i mattoni e l'isolante un foglio di polietilene dello spessore di 0,1 mm; la resistenza termica di questo nuovo strato è trascurabile pertanto l andamento delle temperature rimane invariato. Viceversa aumenta sensibilmente la resistenza al passaggio del vapore dato che la permeanza del polietilene è bassissima. Rimanendo inalterato l andamento delle temperature interne alla parete, non cambia il valore della pressione parziale del vapore nelle condizioni di saturazione ps in corrispondenza della superficie di ogni strato di materiale, con la differenza che ora si avrà uno strato di materiale in più: LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Si calcola il valore degli spessori equivalenti di ogni singolo strato di materiale, definiti come ilprodotto dello spessore reale del materiale per il corrispondente valore della resistenza al passaggio del vapore del relativo materiale, cioè s i = s i μ i dalla tabella 3 si vede che la resistenza al passaggio del vapore del polietilene di spessore 0, m è pari a , per cui si avrà: Non variando le temperature superficiali in corrispondenza della superficie interna ed esterna della parete, i valori della pressione parziale del vapore corrispondenti rimangono invariati, 21

22 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Nella figura è riportato il relativo diagramma di Glaser, la cui scala originaria è 1:10, da cui è possibile verificare che il rischio di formazione di condensa è scongiurato Pa Diagramma di Glaser m pressione di saturazione pressione parziale del vapore L esempio mostrato chiarisce l importanza della disposizione degli strati che deve essere curata non solo dal punto di vista termico ma anche igrometrico al fine di eliminare o quantomeno contenere i rischi di condensazione all interno delle pareti. Le recenti disposizioni normative nel campo del contenimento dei consumi energetici (v. L.10/91) prevedono peraltro obbligatoriamente la verifica termoigrometrica delle tipologie di parete esterne. LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Caso 2 si cambia la stratigrafia dei materiali costituenti la parete (figura 5) ed anziché posizionare l isolante all interno della muratura si realizza un isolamento a cappotto, utilizzando lo stesso materiale del caso iniziale. Dal punto di vista del funzionamento della parete in regime stazionario, il cambiamento della stratigrafia della muratura, a parità di spessori, di materiali utilizzati e delle condizioni al contorno, non influenza il valore della trasmittanza e della potenza termica trasmessa attraverso la parete rispetto al caso iniziale descritto in figura; cambiano invece i valori delle temperature superficiali in corrispondenza di ogni singolo strato della parete e quindi anche l andamento delle stesse, 22

23 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Si calcola il valore della pressione parziale del vapore nelle condizioni di saturazione ps in corrispondenza della superficie di ogni strato di materiale, in funzione della temperatura superficiale di ogni singolo strato utilizzando la tabella ed interpolando Si calcola il valore degli spessori equivalenti di ogni singolo strato di materiale, definiti come il prodotto dello spessore reale del materiale per il corrispondente valore della resistenza al passaggio del vapore del relativo materiale, cioè s i = s i μ i : LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Non variando le temperature superficiali in corrispondenza della superficie interna ed esterna della parete, i valori della pressione parziale del vapore corrispondent rimangono invariati, Nella figura è riportato il diagramma di Glaser, la cui scala originaria è 1:10, da cui è possibile verificare che il rischio di formazione di condensa è scongiurato Diagramma di Glaser 2500 Pa pressione di saturazione pressione parziale del vapore 0 m Bibliografia di riferimento: Cocchi A., Elementi di Termofisica Generale e Applicata, Ed. Esculapio, Bologna

24 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA 24

25 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA 25

26 LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA LA CONDENSAZIONE DEL VAPOR D ACQUA Glaser Parete t( C) Ps Pv N strati R vglob somma delle resistenze alla trasmissione del vapor d acqua per diffusione proprie ad ognuno dei singoli strati componenti la parete. 26

27 CONFORT TERMOIGROMETRICO Per confort termoigrometrico si intende la sensazione di benessere fisico che la persona avverte soggiornando in un ambiente. Naturalmente tale sensazione è soggettiva, cioè non è possibile ottenere un confort assoluto, pertanto si tende di riprodurre una situazione piacevole per il maggior numero di persone. Il primo parametro indispensabile per rendere confortevole un ambiente è sicuramente la temperatura, ma non è sufficiente. Un altro importantissimo fattore da considerare è l umidità, infatti, nonostante la temperatura di un bagno turco non sia molto alta, il nostro corpo avverte una sensazione di caldo intenso a causa dell umidità elevata. Al contrario alla stessa temperatura, ma in un ambiente ventilato e con aria secca, si avrà una sensazione di piacevole frescura. In realtà i parametri da considerare nella progettazione di ambienti confortevoli sono assai più numerosi e complessi. Per prima cosa si deve stabilire la destinazione funzionale del locale e in base a quella scegliere la combinazione di temperatura e umidità che renda salubre e piacevole l ambiente. Esistono centinaia di tabelle empiriche, ricavate da teorie più o meno efficaci e fantasiose e da rilievi sperimentali, che suggeriscono range di temperatura e umidità che garantiscono una buona abitabilità CONFORT TERMOIGROMETRICO La maggior parte di queste teorie si basa sull idea di corpo umano come sistema aperto che scambia calore con l esterno e contemporaneamente produce energia. Pertanto la sensazione di confort è assicurato entro una determinata fascia di scambio termico. ESEMPI: Se un ambiente ha una temperatura molto bassa, il nostro corpo si difende disattivando tutti i meccanismi di sudorazione e cercando di minimizzare gli scambi di calore con l esterno. Il nostro corpo sente freddo. In generale, per smaltire l energia interna prodotta in eccesso, il corpo aumenta la propria temperatura e la respirazione. Se un ambiente è troppo caldo, il corpo aumenta la sudorazione e si copre di una sottile pellicola di sudore che evaporando consuma energia. In un bagno turco, in cui l umidità è quasi al 100%, quindi non è possibile l evaporazione di altra massa liquida, il corpo mette in atto la sudorazione, ma non riesce ad abbassare la propria temperatura, perciò sente caldo. Se un ambiente è particolarmente secco o ventilato, il sudore formatosi ll ll f il t il t f dd 27

28 CONFORT TERMOIGROMETRICO Il Corpo può essere considerato come una macchina termodinamica che regola attraverso la sudorazione il rapporto tra quanto calore cede e quanto calore produce al suo interno. Al suo interno produce energia in funzione dell attività, parte del calore prodotto viene disperso attraverso meccanismi di respirazione e traspirazione. Con la sudorazione regoliamo questa quota di dispersione. Sul nostro corpo incide il sistema d umidità dell ambiente esterno che se è o troppo umido La pelle nuda scambia direttamente per convezione e irraggiamento, mentre la pelle vestita scambia inizialmente per conduzione attraverso i vestiti e poi dalla superficie dei vestiti per conduzione e irraggiamento. La quantità di calore che passa attraverso i vestiti può essere paragonata alla corrente elettrica che passa attraverso una resistenza in un circuito elettrico. Il calore viene trasmesso dal corpo nudo attraverso lo strato corrispondente all abbigliamento indossato dove si porta alla temperatura esterna dei vestiti, da qui viene disperso per convezione. CONFORT TERMOIGROMETRICO Quindi in funzione dello scambio termico con l esterno, il corpo umano sente caldo o freddo, perciò l equazione energetica è fondamentale. M LP Lg V Ed Es Er Vs = R+ C M = Energia prodotta internamente dal metabolismo. Grandezza misurata in watt; è l unica con valori positivi, infatti gli altri parametri rappresentano energie meccaniche e termiche disperse dall organismo. L p = Energia utilizzata per l attività polmonare che è molto dispendiosa. L g = Lavoro muscolare fatto contro le forze di gravità. V = Energia accumulata sottoforma di calore che aumenta la temperatura corporea. E d = Calore dissipato per evaporazione e diffusione della sudorazione a pelle secca (quota fissa). E s = Calore disperso attraverso la fase umida della sudorazione, evidenziata dalla presenza di acqua sulla pelle. E r = Energia legata al vapore d acqua emesso con la respirazione. V s = Vapore sensibile (aria espulsa più calda di quella inspirata). R + C = Potenza termica complessiva dispersa per irraggiamento e conduzione. 28

29 CONFORT TERMOIGROMETRICO Per stabilire il confort ambientale è molto utile il DIAGRAMMA PSICROMETRICO, in cui è riportata la temperatura (T) sulle ascisse e il titolo (X) sulle ordinate. Il titolo, lo ricordiamo, è la grandezza che identifica l umidità dell aria, quindi la quantità di vapore presente nell aria. Linee a entalpia costante X Linee a temperatura costante Linee a titolo costante φ T -10 c +50 c Il diagramma psicrometrico permette di tracciare rette a confort (o entalpia) costante, infatti ogni retta dell entalpia mostra che, diminuendo il valore del titolo (cioè l umidità relativa), ma aumentando la temperatura, il confort termoigrometrico rimane costante. CONFORT TERMOIGROMETRICO Vengono considerate accettabili solo quelle condizioni ambientali che si ritiene non provochino aumento della temperatura del nucleo corporeo oltre i 38 C. Il corpo umano ha l esigenza di mantenere la sua temperatura interna stabile, sui valori di (37 ± 0.5) C. In giallo è segnata la fascia in cui 0,25 < ϕ < 0,75. La linea rossa, a entalpia costante, è la linea di isocomfort termico. 29