BENESSERE TERMOIGROMETRICO

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1 Impianti di Climatizzazione e Condizionamento BENESSERE TERMOIGROMETRICO prof. ssa Cinzia Buratti

2 BILANCIO TERMOIGROMETRICO DEL CORPO UMANO Corpo umano: macchina termica

3 BILANCIO TERMOIGROMETRICO DEL CORPO UMANO Regolazione basomotoria

4 BILANCIO TERMOIGROMETRICO DEL CORPO UMANO Regolazione comportamentale

5 BILANCIO TERMOIGROMETRICO DEL CORPO UMANO Regolazione comportamentale

6 BILANCIO TERMOIGROMETRICO DEL CORPO UMANO Bilancio energetico del corpo umano M S L C K R W E M = potenza termica prodotta dal metabolismo (W/m 2 ); S = potenza termica accumulata o ceduta dal corpo (W/m 2 ); L = lavoro meccanico scambiato dal corpo con l'esterno (W/m 2 ); C = potenza termica scambiata per convezione (W/m 2 ); K = potenza termica scambiata per conduzione (W/m 2 ); R = potenza termica scambiata per irraggiamento (W/m 2 ); W = potenza termica scambiata attraverso la respirazione (W/m 2 ); E = potenza termica scambiata per evaporazione e traspirazione (W/m 2 ).

7 Ask (m2) BILANCIO TERMOIGROMETRICO DEL CORPO UMANO Bilancio energetico del corpo umano 2,6 Relazione di Du Bois 2,4 A sk 0.202m h ,2 2 A sk = superficie della pelle (m 2 ); m = massa del soggetto (kg); h = statura del soggetto (m). 1,8 1,6 1,4 1,2 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 Statura (m)

8 BILANCIO TERMOIGROMETRICO DEL CORPO UMANO Il valore ottenuto con la relazione di Du Bois deve essere moltiplicato per un fattore fcl (Tab. 1.1) definito come il rapporto tra la superficie di corpo coperta dagli abiti e la superficie nuda, per tener conto della reale superficie di scambio termico di un soggetto vestito. 1 clo = m 2 K/W Tab. 1.1: Valori tipici di isolamento del vestiario I cl, f cl è un fattore di correzione che tiene conto della reale superficie di scambio termico di un soggetto vestito [1]. Abbigliamento f cl I cl (clo) Pantaloni aderenti, camicia a maniche corte Pantaloni aderenti, camicia a maniche lunghe Pantaloni aderenti, camicia a maniche lunghe, giacca Pantaloni lenti, camicia a maniche lunghe, maglione, maglietta intima Pantaloni lenti, camicia a maniche lunghe, maglione, giacca, biancheria intima pesante Gonna, camicia a maniche corte, collant, sandali Gonna, camicia a maniche lunghe, sottoveste, collant Gonna lunga, camicia a maniche lunghe, giacca,collant Tuta a maniche lunghe, maglietta

9 BILANCIO TERMOIGROMETRICO DEL CORPO UMANO Metabolismo M (equazione proposta da Nishi) M = 351 (0.23 RQ ) VO 2 /Ask (W/m 2 ) RQ = quoziente di respirazione, pari al rapporto tra il volume di CO 2 prodotta e il volume di O 2 immesso; VO 2 = volume di O 2 consumato (l/min) a T = 0 C e P = 1 atm. Tab. 1.2: Valori del metabolismo per diverse attività [1]. Attività soggetto met Attività soggetto met coricato 0.7 fornaio seduto 1.0 operaio edile in piedi 1.2 operaio meccanico camminare lentamente 2.0 operaio elettrico camminare velocemente 2.6 commesso di negozio guidare un automobile 1.5 orologiaio guidare una moto 2.0 tennis guidare un camion 3.2 squash guidare un aereo 2.0 pallacanestro pulire casa 2.5 ballo cucinare 1.8 golf fare shopping 1.6 pesca

10 BILANCIO TERMOIGROMETRICO DEL CORPO UMANO Tab. 1.3: Consumo di ossigeno per diversi livelli di attività [1]. Attività Ossigeno consumato (l/min) leggera < 0.5 media pesante molto pesante estremamente pesante > 2 Potenza termica ceduta o accumulata S (S = 0) M = L C K R W E (W/m 2 ) S sk α sk mc A sk p,b dt d sk S cr (1 α sk A )mc sk p,b dt d cr sk m cp,b Ask Tcr Tsk = frazione della massa del corpo concentrata nel compartimento pelle; = massa del corpo (kg); = calore specifico del corpo (kj/kg C); = superficie di Du Bois (m2); = temperatura del compartimento interno ( C); = temperatura del compartimento pelle ( C); = tempo (s).

11 BILANCIO TERMOIGROMETRICO DEL CORPO UMANO Lavoro meccanico L Tab. 1.4: Rendimento meccanico del corpo umano per diverse attività [4]. Attività Rendimento (%) Attività Rendimento (%) Spalare con busto piegato 3 Camminare in salita 15 Spalare con busto eretto 6 Salire le scale 20 Avvitare con cacciavite 5 Spingere un carrello 24 Sollevare pesi 9 Pedalare in bicicletta 25 Potenza termica scambiata per convezione C hcc = hc(p/p 0 ) 0.55 (W/m 2 K) Tab. 1.5: Equazioni per il calcolo del coefficiente di convezione [1]. h c = 8.3v 0.6 h c = 3.12 h c = v 0.87 h c = 5.1 h c = 8.6v 0.53 Equazione Campo di validità Autori 0.2 < v < < v < < v < < v < < v < 2.0 v = velocità del soggetto Mitchell Colin - Houdas Nishi - Gagge h c = 5.7(M-0.8) < M < 3.0 Gagge et Al. h c = 6.5v 0.39 h c = 14.8v 0.69 h c = < v < 2.0 v = velocità del soggetto 0.15 < v < < v < 0.15 h c in W/m 2 K; v in m/s; M in met. Nishi - Gagge Seppenam et Al.

12 BILANCIO TERMOIGROMETRICO DEL CORPO UMANO Potenza termica scambiata per conduzione K Avviene nelle parti a diretto contatto con solidi E legata all isolamento termico dell abbigliamento I cl Potenza termica scambiata per irraggiamento R h r = 4 (A/A sk )[0.5(T cl + T r )] 3 (W/m 2 K) = emissività media della superficie del corpo e del vestiario (-); = costante di Stefan-Boltzmann (5.679x10-8 W/m 2 K 4 ); A = effettiva superficie corporea che partecipa agli scambi radiativi (es. A/A sk = per una persona seduta, A/A sk = per una persona in piedi [5]); T cl = temperatura della superficie del vestiario (K); T r = temperatura media radiante dell ambiente (K). h r = 4.71 (W/m 2 K)

13 BILANCIO TERMOIGROMETRICO DEL CORPO UMANO Potenza termica scambiata per evaporazione E Il sudore evapora dalla superficie del corpo Sottrae il calore latente di evaporazione Fino a 1 l/h di sudore prodotto 675 W Potenza termica scambiata per respirazione W Aria inspirata: condizioni ambiente Aria espirata: T = 34 C, condizioni sature Per T a = 20 C, W = 2-5 W/m 2

14 INDICI DEL BENESSERE Gli indici diretti sono ottenibili mediante operazioni di misura: temperatura dell'aria (Ta) temperatura di bulbo umido (Tb); temperatura del punto di rugiada (Tdp); temperatura a bulbo secco naturalmente ventilato (Tdb); umidità relativa ( ); velocità dell'aria (v). Gli indici derivati razionalmente sono ottenuti con relazioni tra grandezze direttamente misurate; di questi vanno citati i seguenti: temperatura media radiante (Tmr) temperatura operativa (To) temperatura operativa umida (Toh) indice di stress termico (HSI) temperatura media radiante (T mr )

15 INDICI DEL BENESSERE Gli indici empirici stabiliscono una correlazione tra parametri ambientali e sensazioni; tra questi ricordiamo: temperatura effettiva (ET) temperatura effettiva corretta (ET*) Fig. 1.1: Diagramma ASHRAE del benessere [1].

16 INDICI DEL BENESSERE voto medio previsto (PMV) +3 molto caldo +2 caldo +1 leggermente caldo 0 neutralità termica -1 leggermente freddo -2 freddo -3 molto freddo

17 INDICI DEL BENESSERE percentuale prevista di insoddisfatti (PPD) (Fig. 1.2) Fig. 1.2: Voto medio previsto in funzione della percentuale prevista di insoddisfatti [5].

18 indice di vento freddo (WCI) INDICI DEL BENESSERE indice di temperatura con bulbo umido e globotermometro WBGT WBGT = 0.7 Twb Tg+ 0.1 Tdb ( C) WBGT = 0.7 Twb Tg ( C)

19 TEMPERATURA DELL ARIA Tab. 1.6: Valori di progetto di temperatura e umidità relativa per locali generici raccomandati dalla UNI-CTI [9]. Variabile Inverno Estate Temperatura interna ( C) Umidità relativa minima (%) Umidità relativa massima (%) Fig. 1.3: Legame tra temperatura media della pelle e temperatura dell'aria; la linea continua rappresenta l'andamento di Tsk secondo gli studi di Hoppe [6], la linea tratteggiata rappresenta il valore medio di Tsk ritenuto da Fanger [10] ottimale per le condizioni di comfort termoigrometrico.

20 UMIDITA RELATIVA La norma UNI-CTI [9] suggerisce i valori di umidità relativa riportati in tabella 1.6, associati a differenti valori di temperatura. Il diagramma ASHRAE del benessere indica un'area di benessere delimitata fra valori di umidità relativa compresi tra il 30 e il 70%. Gli stessi valori sono riportati nella norma UNI-EN-ISO 7730 [8] sia per il caso invernale che estivo. VELOCITA DELL ARIA Tab. 1.7: Valori della velocità media dell aria secondo la ISO-DIS 7730 [7] e la ASHRAE [15]. Categoria Inverno Estate T o ( C) v (m/s) T o ( C) v (m/s) A B C Fig. 1.4: Percentuale degli insoddisfatti in funzione della velocità media dell'aria all'altezza del collo, per diverse temperature [1].

21 CAUSE DI DISCOMFORT LOCALE Asimmetria radiante Per temperatura radiante planare si intende la temperatura radiante proveniente dalla direzione perpendicolare alla superficie di misura; può essere calcolata come somma delle temperature superficiali assolute elevate alla quarta potenza e moltiplicate ciascuna per un fattore angolare che dipende dalla posizione reciproca delle pareti (e può essere determinato analiticamente o mediante appositi normogrammi): T pr 4 n i 1 f p.i T i 4 (K 4 ) Tpr = temperatura radiante planare (K); Ti = temperatura assoluta della superficie i-esima (K); fp.i = fattore angolare tra la superficie di misura e la i-esima superficie. Tab. 1.8: Valori limite per l asimmetria della temperatura radiante [7]. CATEGORIA TEMPERATURA ASIMMETRICA RADIANTE ( C) soffitto caldo parete fredda soffitto freddo parete calda A < 5 < 10 < 14 < 23 B < 5 < 10 < 14 < 23 C < 7 < 13 < 18 < 35

22 Asimmetria radiante Fig. 1.5: Percentuale degli insoddisfatti in funzione della temperatura asimmetrica radiante [1].

23 Gradiente termico verticale Le normative ISO-DIS 7730 [7] e ASHRAE [15] indicano il valore limite di 3 C per la differenza di temperatura dell'aria testa - caviglie, in corrispondenza della quale, secondo Olesen (Fig. 1.7) si ha una PPD pari al 5%. Fig. 1.6: Andamento della temperatura dell'aria in funzione della distanza dal pavimento per vari tipi di impianti di riscaldamento [4].

24 Gradiente termico verticale Fig. 1.6: Andamento della temperatura dell'aria in funzione della distanza dal pavimento per vari tipi di impianti di riscaldamento [4].

25 La temperatura del pavimento Nei locali occupati da persone scalze (ad esempio palestre e spogliatoi) risultò importante il materiale di cui era costituito il pavimento e si trovarono i seguenti campi di temperatura ottimali: fibre tessili (tappeti, moquettes) C legno di pino C legno di quercia C calcestruzzo C Fig. 1.8: Percentuale degli insoddisfatti (soggetti scalzi) in funzione della temperatura del pavimento, per differenti tempi di esposizione. a) pavimento in legno; b) pavimento in cemento [20].

26 La temperatura del pavimento Fig. 1.9: Percentuale degli insoddisfatti (soggetti con scarpe e calze) in funzione della temperatura del pavimento [20]. Le correnti d aria Il flusso d'aria è sempre turbolento; si definisce intensità della turbolenza (TU) il rapporto tra la deviazione standard della velocità ed il suo valore medio. TU v v 100 σ(v) = deviazione standard della velocità, ossia lo scostamento dalla media del valore effettivo di velocità in funzione del tempo e dello spazio; v = media della velocità dell aria.

27 Le correnti d aria Fanger elaborò un modello matematico in grado di determinare la PPD in funzione dell'intensità della turbolenza, della velocità media dell'aria e della sua temperatura. L'equazione ricavata da Fanger è la seguente: PPD = (34 - Ta) (v ) 0.62 (0.37vTU+3.14) (%) PPD = percentuale di persone insoddisfatte (%); Ta = temperatura dell'aria ( C); v = velocità media dell'aria (m/s); TU = intensità della turbolenza (%). Fig.1.10: Percentuale degli insoddisfatti in funzione dell intensità della turbolenza, per diversi valori della velocità media dell aria in corrispondenza del soggetto [1].

28 Le correnti d aria Fig. 1.11: Combinazioni di temperatura, velocità media dell'aria ed intensità della turbolenza che provocano una PPD del 15% [13]. Tab. 1.9: Percentuale Prevista di Insoddisfatti da corrente d aria per diverse categorie di ambienti moderati secondo la ISO DIS 7730 [7]. Categoria A PPD da DR < 10% Categoria B PPD da DR < 20 % Categoria C PPD da DR < 30 %

29 I DIAGRAMMI DEL BENESSERE Fanger elaborò diagrammi del benessere nei quali i parametri oggettivi dell'ambiente furono correlati con quelli soggettivi e fisiologici degli occupanti. I fattori considerati furono i seguenti: - livello di attività, dal quale dipende la produzione di calore metabolico (M); - resistenza termica dell'abbigliamento (Icl); - temperatura dell'aria (Ta); - temperatura media radiante (Tr); - velocità dell'aria (v); - umidità relativa dell'aria, per la quale si fa riferimento alla pressione parziale del --- vapor d'acqua (P). Fanger sviluppò [10] due relazioni che legano il livello di attività (M) con la temperatura media della pelle (Tsk) e con l'entità della sudorazione (E), ottenute, in condizioni di neutralità termica, interpolando i dati di Rholes e Nevins [22]: Tsk= M ( C) E = 0.42(M ) (W/m 2 ) Il bilancio termoigrometrico del corpo umano può essere scritto nella forma implicita: f(m, Icl, E, Tsk, v, Tr, Ta, P) = 0 diventa: f '(M, Icl, v, Tr, Ta, P) = 0 equazione del benessere di Fanger

30 I DIAGRAMMI DEL BENESSERE Fig. 1.12: Diagrammi del benessere di Fanger: relazioni tra temperatura dell'aria, temperatura media radiante e velocità dell'aria per isolamento termico dell abbigliamento pari a 0.5 clo, attività sedentaria pari a 1 met e umidità relativa pari al 50% [1]. Fig. 1.13: Diagrammi del benessere di Fanger: relazioni tra temperatura e velocità dell'aria per isolamento termico dell abbigliamento pari a 0.5 clo, umidità relativa pari al 50% e diversi livelli di attività [1].

31 Il diagramma ASHRAE del benessere I DIAGRAMMI DEL BENESSERE

32 I NUOVI MODELLI ADATTIVI Nel modello adattivo l occupante di un edificio non è più semplicemente inteso come un soggetto passivo, così come appariva nel modello statico, ma come un agente attivo che interagisce a tutti i livelli con l ambiente in cui soggiorna. Il modello adattivo introduce quindi algoritmi di controllo e di risposta che permettono di migliorare il livello di comfort termico degli occupanti e di ridurre il consumo di energia. Alla base del modello di comfort adattivo c è la convinzione che il soggetto, consciamente o incosciamente, svolga un ruolo attivo nella creazione delle condizioni termiche che preferisce e che, per raggiungere più facilmente la soddisfazione nei confronti del microclima, attua un processo di adattamento, definito come quel processo di graduale diminuzione delle reazioni individuali agli stimoli ambientali. Si distinguono tre tipi di adattamento: - comportamentale: complesso dei cambiamenti che una persona mette in atto, consciamente o no, per modificare i parametri che regolano il bilancio termico del corpo; può essere suddiviso in personale, tecnologico e culturale; - fisiologico: l esposizione prolungata a date condizioni riduce lo stress; nelle condizioni tipiche degli ambienti moderati questo tipo di adattamento ha un influenza trascurabile sulla percezione del comfort; - psicologico: le esperienze pregresse e le aspettative modificano la percezione degli stimoli sensoriali e la reazione ad essi.

33 I NUOVI MODELLI ADATTIVI Un modello di questionario viene suggerito dalla norma UNI-EN-ISO [33]; esso può essere integrato con ulteriori domande connesse alle opportunità per gli occupanti di fare uso di controlli del loro intorno termico e della soddisfazione derivante da ciò, per valutare l influenza dell aspetto comportamentale nell adattamento personale all ambiente termico. I punti salienti del questionario riguardano: - sensazione termica; - comfort; - preferenza termica; - accettabilità; - tollerabilità; - possibilità di un controllo individuale del microclima; - soddisfazione riguardo al controllo individuale; - uso dei diversi meccanismi di controllo del microclima. In ogni caso nessuno dei modelli proposti ha ancora trovato conferme e consensi, ed è il motivo per cui la ISO-DIS si occupa dell adattamento solo in modo qualitativo. Presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell Università di Perugia Sezione di Fisica Tecnica sono attualmente in corso indagini sperimentali basate sui modelli adattivi [34,35,36,37].

34 RIFERIMENTI NORMATIVI - ISO International Standard: Moderate Thermal Environments. Determination of the PMV and PPD Indices and Specification of the Conditions for Thermal Comfort; - ISO-DIS : Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort; - ASHRAE : Thermal environmental conditions for human occupancy; - UNI-CTI 10339: Impianti di condizionamento dell'aria. Norme per l'ordinazione, l'offerta ed il collaudo. Tab. 1.10: Categorie per gli ambienti termici secondo la ISO-DIS 7730 e limiti per il comfort globale e localizzato [7]. Categ oria Comfort globale Percentua le Prevista di Insoddisfa tti PPD % Voto Medio Previsto PMV Insoddisfatti da corrente d'aria DR % Discomfort localizzato Insoddisfatti da differenza verticale della temperatura DR* % ΔT ( C) A < < 10 < 3 < 2 < 10 B < < 20 < 5 < 3 < 10 C < < 30 < 10 < 4 < 15 Insoddisfatti da temperatura del pavimento % T p ( C) * variabile a seconda della velocità media dell aria e dell intensità di turbolenza ** variabile a seconda del tipo di superficie (soffitto caldo, parete fredda, soffitto freddo, parete calda) Insoddisfatti da asimmetria radiante % ΔT pr ( C)** < 5 - < 5 - < 10 -

35 ATTIVITA DI RICERCA NEL SETTORE DEL THERMAL COMFORT C. Buratti, P. Ricciardi, M. Vergoni: HVAC systems testing and check: a simplified model to predict thermal comfort conditions in moderate environments, Applied Energy, 104 (2013), pag , ISSN C. Buratti, E. Moretti, E. Belloni, F. Cotana: Unsteady simulation of energy performance and thermal comfort in non-residential buildings, Building and Environment 59 (2013), pag , ISSN

36 ATTIVITA DI RICERCA NEL SETTORE DEL THERMAL COMFORT P. Ricciardi, C. Buratti: Thermal comfort in open plan offices in northern Italy: an adaptive approach, Building and Environment, 56 (2012), pag , ISSN C. Buratti, P. Ricciardi: Adaptive analysis of thermal comfort in university classrooms: Correlation between experimental data and mathematical models, Building and Environment, 44 (2009), pp , ISSN