IMPIANTI MECCANICI LEZIONE DEL 27 SETTEMBRE 2007

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1 IMPIANTI MECCANICI LEZIONE DEL 27 SETTEMBRE INTRODUZIONE LE CONDIZIONI AMBIENTALI DI BENESSERE BILANCIO ENERGETICO FRA UOMO ED AMBIENTE Perdite calore sensibile Perdite evaporative attraverso la pelle Perdite di calore per respirazione Perdite di calore totali ed equazione di Fanger Criteri di valutazione delle situazioni ambientali in relazione al benessere... 7

2 1 INTRODUZIONE Fino all inizio del 900 gli edifici presentavano una percentuale di impianti (in tutti i sensi) che non superava il 3% del costo totale degli immobili. Nei casi migliori erano previsti: un impianto fognario (magari con pozzo nero esterno); un impianto idrico interno. Nel dopoguerra la percentuale degli impianti non superava il 5% del valore degli immobili. Con utilizzo del petrolio gli edifici vennero riscaldati mediante impianti di riscaldamento quasi esusivamente con radiatori alimentati a circolazione naturale, detta a termosifone e la percentuale dell impiantistica è salita al 7-10%. Successivamente si è cominciato a distribuire energia elettrica nelle grandi città e gli edifici si sono così arricchiti di impiantistica (elettrica, telefonia, ascensori, automazione, ecc), portando il costo degli impianti a circa il 20% del costo totale. Oggi gli impianti correlati a vari servizi interni degli edifici sono ancora cresciuti di complessità e peso, basti pensare ai moderni edifici (ospedali, tribunali, edifici pubblici, alberghi, edifici industriali, edifici e siti ad alta tecnologia, ecc). Gli impianti che si possono normalmente trovare sono: Idrici; Sanitari; Fognari; Elettrici; Telefonici; Trasmissione dati; Illuminazione; Forza motrice; Rilevamento di presenza; Controllo e sicurezza (accessi, antincendio, telecamere, ecc); Riscaldamento; Condizionamento; Ventilazione; Ecc. La percentuale dell impiantistica oggi raggiunge percentuali elevatissime arrivando anche al 60-75% del costo totale dell edificio e la gestione di tutti questi impianti risulta oggi complessa e delicata tanto da costruire sistemi di gestione del tutto automatizzati e controllati mediante computer. L evoluzione della moderna Architettura ha portato ad uno scollamento fra le capacità termofisiche dell edificio e la capacità di questo di mantenere, quasi autonomamente, un microima interno favorevole. In pratica la capacità termica dell edificio C (Massa per calore specifico) e la

3 resistenza termica dell edificio R giocano un ruolo fondamentale nella cosiddetta costante di tempo dell edificio τ 0 : quanto maggiore è la costante di tempo tanto minori sono le oscillazioni termiche interne dell edificio e quindi tanto migliore il comportamento termico dello stesso. Poiché: τ 0 = R C si ha che la riduzione della massa dell edificio, a causa dell utilizzo di murature sempre più leggere, comporta la riduzione della capacità termica C e, a parità di resistenza termica R, anche τ 0. Pertanto quando fino all ottocento si costruivano gli edifici con muratura portante (muri di grande spessore per necessità costruttive), si avevano edifici termicamente più efficienti rispetto agli odierni edifici costruiti con strutture intelaiate in cemento armato e con muri poco spessi, leggeri e in qualche caso addirittura mancanti. Inoltre la mancanza di portanza delle murature ha reso possibile l utilizzo di finestre vetrate di proporzioni generose con effetti sensibili sull effetto serra e quindi sul surriscaldamento interno degli ambienti. La riduzione di massa delle pareti comporta, se non attentamente controbilanciata, anche una riduzione della resistenza termica e pertanto la riduzione della costante di tempo τ 0 risulta quindi amplificato l effetto di pendolazione della temperatura degli ambienti. In definitiva per decenni si è avuto uno sviluppo selvaggio ed incontrollato degli edifici che ha reso gli stessi totalmente svincolati dalle esigenze geometriche e costruttive delle murature portanti e sottoposti solamente al gusto estetico. 2 LE CONDIZIONI DI BENESSERE Le condizioni di comfort sono rappresentate da quell insieme di parametri fisici ed ambientali che portano al benessere dell uomo. Ovvero: l insieme dei valori dei parametri fisici che mantengono i parametri biologici ai valori ottimali con il minimo sforzo da parte dell individuo. In particolare il benessere termico è riferito alle condizioni: termiche; igrometriche alla velocità dell aria negli ambienti; il raggiungimento delle condizioni di comfort e di benessere ambientale garantisce le condizioni di vita anche in quei luoghi che, per condizioni imatiche estreme, non la garantirebbero (circolo polare, stazioni di estrazione off-shore, miniere, stazioni sottomarine, cabine d aereo, cabine spaziali, ecc.).

4 3 BILANCIO ENERGETICO FRA UOMO ED AMBIENTE. Lo scopo del sistema di termoregolazione del corpo umano è di mantenere costante la temperatura del corpo Si può assumere che per una esposizione a moderate condizioni ambientali con attività metabolica costante si raggiungono le condizioni di regime stazionario, ovvero, la produzione di calore interna eguaglia i disperdimenti nell'ambiente. In queste ipotesi il bilancio energetico si può così scrivere: M ( ± L) ± E± R± C= 0 M = potenza sviluppata per attività metabolica (W); L = potenza dissipata per attività lavorativa (W); E = potenza termica per evaporazione (W); R = potenza termica scambiata per radiazione (W); C = potenza termica scambiata per convezione (W). Ovvero in termini di potenza: P i = R+ C Dalla quale evince che, all'equilibrio, la potenza termica Pi sviluppata dall'organismo deve essere dispersa per convezione ed irraggiamento nell ambiente esterno. Diviene quindi necessario, per il mantenimento delle condizioni di sopravvivenza, il disperdimento del calore accumulato. Questo calore da smaltire può essere diviso in due componenti fondamentali: calore latente;

5 calore sensibile. Il calore latente è legato al trasporto di massa; ovvero respirazione sudorazione ecc.. Il calore sensibile è invece legato alla temperatura di un corpo. Le perdite di calore sensibile attraverso la pelle avvengono inizialmente mediante la trasmissione del calore fra la pelle e il vestiario e poi dal vestiario all ambiente esterno. 3.1 Perdite calore sensibile I meccanismi trasmissivi sono: conduzione; convezione; irraggiamento. I fattori che determinano la trasmissione del calore sensibile sono la temperatura (conduzione e irraggiamento), la velocità dell aria ed i coefficienti di convezione (convezione); Da ciò risulta che la temperatura da sola non è sufficiente a descrivere le condizioni di benessere. Per tale motivo si introduce un grandezza definita Temperatura Operante (o operativa) che e una media pesata, secondo i coefficienti di convezione, tra la temperatura media dei corpi scambianti. 3.2 Perdite evaporative attraverso la pelle Le perdite evaporative attraverso la pelle dipendono dalla differenza di pressione del vapore d acqua sulla pelle e quella dell ambiente; ovvero dalla differenza di quantità di acqua tra la pelle e l ambiente. 3.3 Perdite di calore per respirazione Per effetto della respirazione si hanno perdite di calore sia sensibile che latente. 3.4 Perdite di calore totali ed equazione di Fanger Le perdite di calore totale sono la somma di: Perdite calore sensibile; Perdite evaporative attraverso la pelle; Perdite di calore per respirazione. Legando assieme le relazioni si può pervenire a delle equazione di bilancio energetico che leghino i singoli termini fisiologici ai parametri termofisici del corpo umano. M [ ] + h A F ( t t ) ( 1 η ) 0,3 A ( 2,56 t 33,7 p ) E 1,7 10 M (58,5 p ) 1,6 10 M (34 t ) = 3,96 10 A F ( t ) ( t ) D sk c sk dove: M = potenza sviluppata per attività metabolica (W); η = rendimento meccanico tsk - temperatura media della pelle, C; t - temperatura media degli indumenti, C; ta - temperatura ambiente, 0C; a D mr c D a

6 AD - superficie del corpo umano in m² 0,425 0, 725 P = massa del corpo, kg H = altezza del corpo, m V = - velocità dell aria, m/s; Esk = - potenza termica per traspirazione, W A D = 0,203 P H hc = coefficiente di convezione fra gli indumenti e l'ambiente esterno, W/(m 2K); F = rapporto fra superficie coperta e nuda del corpo; I = resistenza termica del vestiario, 1 Clo = 0,155 (m 2 K/W); Pa = tensione parziale del vapore nell'aria ambiente, mbar. Per semplificare i problemi pratici è stata introdotta un unità metabolica specifica, il met, definito come l energia trasformata per metabolismo per unità di tempo e di superficie corporea da un individuo di corporatura media (superficie corporea disperdente assunta pari a 1,8 m 2 ). Per un individuo seduto, in riposo, risulta che: 1 met = 58 W/m 2 (Met) Rendimento η Sonno 41 0,0 Riposo semi sdraiati 47 0,0 Seduti, tranquilli 58 0, 0 In piedi, rilassati 70 0,0 Cammino in piano con velocità: 3,2 km/h 116 0,0 4,0 km/h 139 0,0 4,8 km/h 151 0,0 5,6 km/h 186 0,0 6,4 km/h 220 0,0 Cammino in salita 5% 1,6 km/h 139 0,07 3,2 km/h 232 0,1 6,4 km/h 354 0,1 Cammino in salita 25% con velocità: 1,6 km/h 209 0,2 3,2 km/h 389 0,2 Pulizia della casa ,0-0,1 Lavare e stirare ,0

7 Lavare le stoviglie 93 0,0 Cucinare ,0 Lavoro in negozio 116 0,0-0,1 Insegnamento 93 0,0 Scrivere a macchina elettrica 58 0,0 Contabilità 70 0,0 Disegnare ,0 Lavoro di ufficio generico ,0 Attività di laboratorio ,0 Spostamento di sacchi da 50 kg 232 0,2 Lavoro in industria meccanica: leggero ,0-0,1 pesante ,0-0,1 Ballo ,0 4 CRITERI DI VALUTAZIONE DELLE SITUAZIONI AMBIENTALI IN RELAZIONE AL BENESSERE Poiché il gradimento da parte degli utenti delle condizioni ambientali non è di fatto un dato oggettivo, il gradimento può essere espresso con il valore medio di una votazione espressa da un campione basandosi su una scala di sensazione termica ; generalmente la scala utilizzata prevede: Voto Sensazione +3 molto caldo +2 caldo +1 leggermente caldo 0 confortevole -1 leggermente freddo -2 freddo -3 molto freddo La misura della sensazione termica è basata sul PMV (Predicted Mean Vote) secondo cui la sensazione termica, ad un dato livello di attività, è definita come: la differenza tra la produzione interna di calore e la perdita di calore che avrebbe l individuo se mantenesse la temperatura della pelle e la traspirazione ai valori di benessere

8 La relazione per il calcolo del PMV è: M PMV= L 0,303exp 0, ,028 dove: L è il carico termico del corpo (differenza tra la produzione di calore interna e le perdite termiche verso l ambiente esterno). Alle volte è più utile conoscere a priori quale può essere l effetto sull utenza di alcune scelte progettuali. In questi casi può risultare più comodo valutare la percentuale di persone che, in una data situazione ambientale, potrebbero esprimere un parere negativo. Si utilizza allo scopo l indice PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied). Esistono delle relazioni che legano il voto medio previsto (PMV) e la percentuale di insoddisfatti (PDD). Dalla curva che lega PMV a PPD, è interessante osservare come PPD non si annulli nemmeno quando PMV è uguale a 0 (massimo grado di comfort) in accordo al fatto che condizioni in grado di soddisfare l equazione del benessere possono, statisticamente, non essere di gradimento per alcuni gruppi di persone. Dal grafico si osserva che a PMV=0, condizioni di confort termoigrometrico, il 5% delle persone esprime una valutazione negativa, ovvero non ritengono soddisfacenti le condizioni ambientali.