Benessere Termoigrometrico

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1 Benessere Termoigrometrico

2 Benessere termoigrometrico I requisiti per il benessere. Le normative sul benessere ambientale. Il benessere termoigrometrico negli ambienti. Gli scambi termici del corpo umano con l ambiente. Gli indici del benessere. Tecniche di misura. Normativa e legislazione vigente.

3 Indice PARTE 1 Il benessere termoigrometrico Generalità Il sistema di termoregolazione il sistema di controllo il sistema di rilevazione il sistema di regolazione Il bilancio energetico l equazione di bilancio l attività metabolica le trasformazioni energetiche la potenza meccanica ed il rendimento i flussi termici il vestiario I parametri di benessere l equazione del benessere di Fanger I diagrammi del benessere Il modello di Gagge e condizioni transitorio La normativa e la legislazione nazionale

4 Benessere ambientale La condizione di "benessere ambientale" viene definita come la particolare condizione psicologica di soddisfazione da parte del soggetto nei confronti del: microclima (benessere termoigrometrico); qualità dell aria (benessere resp.) rumore (benessere acustico) Sebbene la sensibilità individuale e collettiva ai problemi ambientali sia negli ultimi anni largamente aumentata, raramente il rischio ambientale a cui è esposto ciascun individuo viene oggettivamente valutato. Ciò è probabilmente dovuto a: la intrinseca complessità delle metodiche di misura l elevato costo delle attrezzature, l oggettiva carenza di tecnici e laboratori ambientali disponibili in ambito territoriale. Benessere termoigrometrico Benessere respiratorio-olfattivo Benessere acustico Benessere visivo Controllo microclima Controllo qualità dell aria Controllo rumore Controllo illuminazione naturale e artificiale

5 1. Il Benessere Definizione di Benessere: E una condizione di soddisfazione nella quale un individuo o più individui si trovano e dalle quale non vi è desiderio di allontanarsi. stato psico-fisiologico che coinvolge tutti i sensi necessità di studiare l effetto degli stimoli ambientali (termici, acustici, visivi) sulla psiche o sull organismo. benessere termico, acustico, visivo

6 1. Il Benessere per una corretta definizione di benessere occorre delimitare e definire il settore al quale il benessere si riferisce, la contemporanea presenza di vari tipi di benessere, aumenta la complessità del problema (maggiore numero di stimoli da tenere in considerazione) per apprezzare una qualsiasi forma di benessere deve essere verificato il soddisfacimento di altre forme di benessere....si può essere in un ambiente perfetto per l ascolto della musica, o per meglio dire, di un particolare tipo di musica, avere la migliore orchestra del mondo, ma se malauguratamente si è investiti da una corrente d aria fredda sul collo, si perderà molto del piacere della musica; la stessa cosa avverrà se abbagliati da un faro mal posizionato o anche solo se afflitti da un fastidioso mal di denti.

7 1. Il Benessere al centro del problema del benessere c è l uomo (complessità e assoluta mancanza di determinismo) competenze ingegneristiche non sufficienti per lo studio del problema del benessere; interdisciplinarità, ossia coinvolgimento di altre discipline, quali la medicina, la fisica, la statistica, la psicologia evoluzione verso standard di comfort sempre più elevati; controllo di un numero crescente di parametri utilizzo di strumentazioni di misura sempre più sofisticate tecniche e procedure di misura complesse tentativo di definizione di indici globali, o di una scala di benessere complessivo

8 Definizione del problema La Misura del Benessere Termoigrometrico e dello Stress termico può essere effettuata con molteplici modelli (Fanger, Gagge ecc), diversi indici (globali, locali, di sensazione o di temperatura) svariati strumenti e metodi (UNI EN ISO 7726, 2002, commercialmente in continua evoluzione).

9 Modello di Gagge Il modello a due-nodi di Gagge, che è stato sviluppato a partire dal 1971, raffigura il corpo umano come due cilindri concentrici, rappresentanti rispettivamente la parte essenziale del corpo core (scheletro, muscoli, organi interni) e la pelle. Il modello si basa sulle seguenti ipotesi: Lo scambio di calore per conduzione dalla pelle è trascurabile La temperatura è uniforme in ciascun comparto La produzione di calore metabolico, il lavoro esterno e la perdita di calore tramite respirazione sono associati solo con il core Gli scambi termici tra la pelle e il core sono dovuti alla conduzione attraverso i tessuti del corpo e attraverso il flusso sanguigno termoregolatorio

10 Condizioni di benessere termico La temperatura interna del nostro organismo è normalmente di 37 C. Il nostro organismo è molto sensibile anche a piccole variazioni di temperatura e attraverso sensori di caldo e freddo (localizzati nell epidermide) segnala condizioni anomale di disagio termico Il meccanismo di controllo è molto complesso ed efficiente e coinvolge scambi termici latenti e sensibili La sensazione di benessere è alquanto soggettiva per almeno tre motivi: coinvolge la sfera emotiva i meccanismi di rilevazione/ regolazione/ compensazione cambiano in funzione dell età, del sesso e della condizione psico-fisica le effettive condizioni di carico termico sono diverse tra i diversi individui in funzione del vestiario e dell attività metabolica Impulsi di caldo Impulsi di freddo Attività metabolica

11 Temperatura corpo umano Il corpo umano si divide in due zone: interna (o nucleo) ed esterna. La temperatura interna (37 C) è praticamente costante variando di circa ±0.5 C nell arco della giornata secondo il ritmo circadiano La temperatura media della zona esterna può variare tra un massimo di 45 C ed un minimo che dipende dalla zona del corpo (per le dita 4 C, per la fronte 17 C)

12 ISO 9866 Temperatura esofagea Temperatura rettale Temperatura nucleo Temperatura ascellare e inguinale è inferiore di circa 1 C rispetto alla temperatura nucleo Temperatura addominale Temperatura orale Temperatura timpatica Temperatura auricolare Temperatura delle urine

13 Temperatura superficiale locale 38 Temperatura locale/ C Rettale Testa Mani Piedi Temperatura ambiente/ C

14 Sistema di controllo della termoregolazione Principi di fisiopatologia ATTIVITA FISICA TEMPERATURA DI BRIVIDO MUSCOLI PRODUZIONE DI ENERGIA TERMICA AMBIENTE RIFERIMENTO IPOTALAMO SUDORE GHIANDOLE SUDORIPARE PERDITA DI ENERGIA PER EVAPORAZIONE CAPACITA TERMICA CORPOREA TEMPERATURA CORPOREA SISTEMA VASOMOTORIO VASI SANGUIGNI TRASFERIMENTO INTERNO DI ENERGIA TERMICA RECETTORI TERMICI

15 Il sistema di rilevazione: i termorecettori La pelle è sensibile ad ogni forma di contatto. Le sensazioni tattili sono di diversa natura: il caldo e il freddo, la pressione e il contatto il dolore Su ogni centimetro quadrato di pelle si trovano mediamente circa 130 recettori tattili.

16 Il sistema di regolazione I recettori termici inviano quindi segnali all ipotalamo, che li confronta con i valori di riferimento delle temperature ed eventualmente attiva i meccanismi di termoregolazione necessari a mantenere l omeotermia del corpo. 37 o C 34 o C I tipi di termoregolazione contro il caldo e freddo sono: vasomotoria; comportamentale. Nel caso in cui i meccanismi di termoregolazione non sono sufficienti ad assicurare l omeotermia si può avere: negli ambienti freddi ipotermia (fino alla morte per fibrillazione cardiaca); negli ambienti caldi ipertermia (fino alla morte per danni irreversibili alle proteine dei tessuti nervosi). Caldo Freddo

17 I Meccanismi di Termoregolazione il corpo umano si suddivide in due zone: esterna (pelle e tessuti sottocutanei) interna, (nucleo, comprendente gli organi vitali) con T quasi costante, mediamente uguale a 37 C, con variazioni nell arco della giornata di +/- 0,5 C) La funzione di mantenere quasi isotermo il nucleo del corpo è delegata al sistema di termoregolazione. termoregolazione vasomotoria - capillari periferici dotati di sfinteri (valvole), che aprendosi o chiudendosi, permettono o impediscono l afflusso di sangue termoregolazione comportamentale.

18 Il sistema di regolazione La termoregolazione vasomotoria riguarda i capillari periferici; questi sono dotati di valvole che, aprendosi o chiudendosi permettono o inibiscono l afflusso di sangue. In particolare negli ambienti freddi la chiusura delle valvole (vasocostrizione) determina una diminuzione dell afflusso di sangue verso la periferia e conseguentemente una diminuzione della temperatura superficiale e quindi dello scambio termico. Per contro negli ambienti caldi l apertura delle valvole (vasodilatazione) determina un aumento dell afflusso di sangue alla periferia e conseguentemente un aumento della temperatura della pelle e quindi dello scambio termico. Un meccanismo parallelo, che normalmente attivato nel caso in cui la termoregolazione vasomotoria non sia sufficiente, consiste nella termoregolazione comportamentale. In particolare il meccanismo contro il freddo si manifesta con il brivido, ovvero l attivazione dei muscoli e conseguente aumento della generazione di energia termica interna. Il meccanismo contro il caldo consiste invece nella sudorazione dove le ghiandole sudoripare secernono il sudore (una soluzione acquosa di cloruro di sodio) che arriva sulla superficie esterna della pelle attraverso i pori e si sparge sulla superficie della pelle, il sudore quindi in parte passa come vapore nell aria (sottraendo il calore latente di evaporazione), in parte gocciola (sottraendo solo calore sensibile).

19 Bilancio energetico del corpo umano In condizioni di omeotermia l'energia prodotta da un individuo deve essere pari all'energia scambiata con l'ambiente sotto forma di calore o lavoro, trascurando il termine relativo allo scambio conduttivo tra corpo e oggetti in contatto con esso (K). Nella equazione che segue deve essere S=0

20 Bilancio di energia sul corpo umano Il corpo umano può essere considerato come un sistema termodinamico sul quale è possibile fare un bilancio di energia: S = M -W -Eres-Cres-E -C -R -K M = potenza sviluppata per attività metabolica, (W); W = potenza meccanica dissipata per attività lavorativa, (W); E = potenza termica per evaporazione nella traspirazione, (W); E res = potenza termica per evaporazione nella respirazione, (W); C res = potenza termica scambiata per convezione nella respirazione, (W). C = potenza termica scambiata per convezione, (W). R = potenza termica scambiata per irraggiamento, (W); K = potenza termica scambiata per conduzione, (W); L organismo tende a permanere in condizioni di equilibrio omeotermo (S = 0), ovvero che: potenza ceduta all ambiente = potenza generata dai processi metabolici la temperatura interna si mantenga stabile su valori ottimali (36,7+/- 0,3 C) Gli ambienti termici vengono convenzionalmente distinti in: moderati (in cui l obiettivo è il raggiungimento del benessere termoigrometrico) severi caldi/ freddi (in cui l obiettivo è la sicurezza e la riduzione dello stress termico).

21 2. L AttivitL Attività Metabolica Il metabolismo è il complesso di processi chimici e fisici che ha luogo nelle cellule e nei tessuti del corpo umano - trasformazione degli alimenti ingeriti - trasformazione di ossigeno in anidride carbonica, - modificazione, accrescimento e rigenerazione delle cellule dell organismo, - funzioni fisiologiche (attività nervosa, circolazione del sangue, respirazione) - funzioni ed attività motorie.

22 Tasso metabolico o metabolismo energetico (M) 2. L AttivitL Attività Metabolica è la differenza media nell unità di tempo tra energia somministrata (alimenti, bevande e ossigeno) ed energia espulsa (feci, urine, anidride carbonica) assimilabile ad un termine di generazione per il volume di controllo uomo; non è costante nel tempo, dipende da: - qualità e quantità dei cibi ingeriti, - dal momento della loro ingestione - dalle condizioni ambientali esterne - dall'attività che la persona svolge (cresce passando dalla quiete ad attività intense e faticose).

23 2. L AttivitL Attività Metabolica la potenza meccanica ceduta per le attività motorie è sempre minore del termine di generazione: il corpo umano, affinché la sua energia interna e la sua temperatura non varino, cede energia all ambiente circostante. - per convezione con l aria - per irraggiamento con le superfici circostanti - per evaporazione di acqua (da pelle e polmoni) Se l energia ceduta risulta maggiore (minore) del tasso metabolico, la temperatura media del corpo diminuisce (cresce) fino a raggiungere una nuova condizione di regime (o anche il collasso). L organismo reagisce ad eventuali squilibri innescando complessi meccanismi di termoregolazione (il benessere è la condizione in cui l attività dei meccanismi di termoregolazione è modesta).

24 Attività metabolica M L attività metabolica dell organismo può essere ricondotta a: - l attività metabolica basale, necessaria al mantenimento dell attività cellulare e delle principali funzioni vitali; esso varia con il ciclo circadianico e dipende da individuo a individuo in funzione del sesso, età, massa, altezza ; - l attività metabolica a riposo, comprendente quella basale e quelle ulteriori funzioni in assenza di attività muscolare quale quella digestiva e posturale; - l attività metabolica lavorativa, legata al lavoro compiuto ed al rendimento muscolare nell attività lavorativa 8 Met 0.8 Met 1 Met La valutazione del metabolismo energetico, di solito espresso mediante l unità incoerente met (1 met = 58,2 W/m 2 ), può essere effettuata mediante due metodi: - la misura diretta (che si basa principalmente sulla valutazione del consumo di ossigeno) - la valutazione indiretta (tabelle in funzione dell attività). 4 Met

25 Attività metabolica Il metabolismo delle varie persone (nei vari stadi della vita, e in diverse condizioni) può essere misurato nei comuni laboratori di analisi misurando il consumo di ossigeno tramite un apposita macchina. Questo metodo è chiamato calorimetria indiretta, in quanto si calcola il calore sulla base dei risultati della combustione (anidride carbonica nell aria respirata). Controllando dunque con un apposita macchina la percentuale di ossigeno consumato e trasformato in anidride carbonica, si può controllare quanta energia si è consumata sulla base del risultato ottenuto dalle reazione.

26 Attività metabolica Le proteine nel corpo non arrivano ad essere bruciate fino in fondo ma si arrestano a livello di urea; per considerare anche la presenza delle proteine nell urea si può utilizzare un semplice esame di laboratorio in cui si valuta l azoto, e si fanno dei calcoli per cui si compensa questa differenza. Il metodo della calorimetria indiretta descritto per l esame del metabolismo può essere naturalmente applicato anche all esame del consumo energetico effettuato da una persona durante un attività più o meno intensa: basta esaminare l aria respirata (ossigeno e anidride carbonica) e alcuni altri semplici esami alla portata di tutti i laboratori. Se la valutazione dell attività metabolica richiesta è sufficiente in prima approssimazione si può ricavare, più semplicemente, il valore standard di varie attività metaboliche dalla norma UNI EN ISO 8996.

27 Attività metabolica

28 Valori metabolici tipici (ISO 8996) Tipo di attività Valore metabolico [W/m2] Valore metabolico [met] Nessuna attività (dormire) Nessuna attività (posizione sdraiata) Nessuna attività (posizione seduta, rilassata) Attività leggera sedentaria (ufficio, casa, scuola, ) Attività leggera in piedi (compere, lavoro leggero) Attività media in piedi (lavoro domestico, a macchina) Attività media in piedi (camminare a 3 km/h ) Attività pesante (fare ginnastica) Attività pesante (ballare) Attività pesante (correre a 15 km/h)

29 Area superficie corporea L area della superficie A b corporea può essere valutata sulla base della relazione di Du Bois A b 0,425 0,725 0,202 m b hb in funzione della massa corporea, m (kg) e l altezza h (m) dell individuo. L uomo standard (di massa pari a 70 kg e altezza pari a 1,8 m) ha pertanto un area della superficie corporea pari a circa 1,8 m 2

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31 Potenza meccanica W L energia potenziale chimica degli alimenti si trasforma in: energia termica (necessaria alla termoregolazione dell organismo) energia elettrica (necessaria alla trasmissione degli impulsi nervosi) energia meccanica (convertita nell attività muscolare); il rapporto tra la potenza meccanica W e l attività metabolica M viene definito rendimento meccanico η=w/m; il valore del rendimento meccanico è normalmente molto basso (<0.20) e leggermente crescente con la potenza meccanica W. energia chimica (accumulata dall organismo come riserva energetica)

32 Potenza meccanica, W Rappresenta l energia che nell unità di tempo l uomo scambia con l ambiente sotto forma di lavoro meccanico. Rendimento meccanico: =M/W. Il rendimento assume valori compresi tra 0 e 0.20, leggermente crescente al crescere della potenza termica. M-W=M (1- ) Se si compie un lavoro di 20W, la potenza metabolica sarà di circa 200W con rendimento 10%; se il lavoro sale a 40W, la potenza metabolica sarà di 260W con rendimento del 15%. L uomo può essere quindi considerato come una macchina termica: per compiere lavoro ha bisogno di energia termica che viene in piccola percentuale trasformata in lavoro e in gran parte riversata nella sorgente ambiente.

33 Il flusso termico convettivo e radiativo C e R I flussi di energia termica per irraggiamento e convezione attraverso la pelle R e C dipendono dalla resistenza termica superficiale (vestiario, velocità dell'aria) e dalla differenza tra la temperatura della pelle e rispettivamente la temperatura media radiante e dell aria. I meccanismi trasmissivi coinvolti sono quelli di conduzione (tra pelle e vestiario), convezione (tra vestiario e aria circostante) e irraggiamento (tra vestiario e pareti circostanti). In particolare C R A A b b f f cl cl h ( t avendo indicato con h c il coefficiente di convezione termica, W/(m²K); h r il coefficiente radiativo, W/(m²K); f cl il fattore di ricoprimento corporeo (dato da fcl = A cl /A b con A cl e A b le superfici del vestiario e della pelle) Combinando le relazioni su descritte si può scrivere: C R A b f cl avendo indicato con t o la temperatura operativa definita come la media pesata secondo i coefficienti di scambio termico delle temperature dell ambiente e della temperatura media radiante. c h ( t r cl cl t t a ) mr ( h c h r ) ( tcl to ) )

34 h c Potenza termica dispersa per convezione, C La potenza termica che il corpo umano scambia per convezione con l ambiente può essere espressa come: dove: C fcl hc Ab tcl ta è la conduttanza convettiva media unitaria abiti-aria, W/m 2 K t cl è la temperatura media della sup. esterna dei vestiti, C f cl coefficiente di area dell abbigliamento, adim., definito come il rapporto tra l area della superficie del corpo umano vestito e l area della superficie del corpo umano nudo

35 Potenza termica dispersa per irraggiamento, R La potenza termica che il corpo umano scambia per irraggiamento con l ambiente può essere valutata come: 4 4 R Aeff tcl tr dove: A eff è l area della superficie efficace del corpo umano, m 2 In generale, l equazione si semplifica nella: cl b cl r R f A t t

36 Temperatura operativa t B t (1 B) t 0 a mr con: t mr = temperatura media radiante t a = temperatura dell aria

37 Resistenza termica del vestiario 1.2 Clo 0.5 Clo 0,15 Clo 1.0 Clo In condizioni stazionarie la potenza termica C+R scambiata per convezione e irraggiamento dalla superficie esterna è uguale a quella scambiata per conduzione tra pelle e abito, essendo: ( tsk tcl ) fcl ( h c h r ) ( tcl to) I La resistenza termica unitaria dell abbigliamento viene generalmente espressa mediante l unità di misura incoerente clo (1 clo = 0,155 m 2 K/W) cl

38 Abbigliamento 1 clo = 0,155 m 2 K/W

39 Condizioni di comfort invernale Secondo la Normativa ISO 7730, che recepisce il criterio di qualificazione di un ambiente mediante la percentuale di insoddisfatti, le condizioni di comfort sono quelle riportate dalla tabelle seguente, una volta fissate le condizioni di attività e di abbigliamento delle persone

40 Condizioni di comfort estivo

41 Resistenza termica dell abbigliamento La resistenza termica dell abbigliamento si calcola tramite i parametri standardizzati nella norma UNI EN ISO 9920 del marzo Per convenzione si può assegnare come valore di resistenza dell abbigliamento, per la valutazione del comfort, Icl= 0,5 clo durante il periodo estivo e Icl=1 clo per quello invernale.

42 Resistenza termica vestiario In tabella vengono a titolo di esempio riportati i valori di alcuni tipici capi di vestiario. Si noti che un abbigliamento tipico estivo ha una resistenza termica di 0,5 0,6 clo, mentre un abbigliamento tipico invernale ha una resistenza di 0,9 1,0 clo. La valutazione della resistenza termica dell abbigliamento può essere effettuata mediante (ISO 9920): la misura diretta (alquanto complessa in quanto richiede attrezzature specifiche); la valutazione indiretta da tabelle, (alcune tabelle riportano la resistenza termica di singoli capi d abbigliamento, Iclu, altre, quella di combinazioni di capi, Icl= ΣIcl,u)

43 Un esempio

44 Il flusso termico E Lo scambio termico latente attraverso la superficie della pelle è innescato sia dall evaporazione del sottile film liquido che si viene a creare sulla superficie della pelle per effetto della sudorazione, sia per la traspirazione del vapor d acqua attraverso i pori della pelle. La potenza evaporativa totale E può essere determinata dalla seguente relazione: ( p E w R sk, s pa ) avendo indicato con: w è la frazione di pelle bagnata; p sk,s è la pressione di saturazione del vapor d acqua alla temperatura della pelle (Pa); p a è la pressione parziale del vapor d acqua nell aria (Pa); R e,t è la resistenza totale degli abiti allo scambio termico evaporativo (m2 Pa W -1 ) Il contributo allo scambio termico latente complessivo dovuto alla traspirazione attraverso la pelle è minimo, anche se attivo indipendentemente dalla sudorazione. Tuttavia se la frazione di pelle bagnata è molto bassa o nulla, il contributo della diffusione di vapore può essere valutato indipendentemente. e, t

45 Potenza termica dispersa per conduzione Potenza termica che il corpo umano disperde con i piedi verso il pavimento o con una sedia se seduto Generalmente è trascurabile

46 Il flusso termico C res e E res Nella respirazione la differenza di entalpia tra la portata di aria espirata ed inspirata comporta una perdita di calore sensibile e latente pari a: C E res res m m res res c p, a h w ( t es ( x es t a x ) a ) Una relazione semplificata utilizzata per l aliquota latente è: E M 5867 p p as con: ve tensione di vapore dell acqua alla temperatura dell aria ambiente, Pa as

47 Il flusso termico C e res E res Una relazione semplificata utilizzata per l aliquota latente è: E M 5867 p p as con: res tensione di vapore dell acqua alla temperatura dell aria ambiente, Pa as Una relazione semplificata per l aliquota sensibile è: Cres M 34 ta

48 Parametri benessere termoigrometrico Dall equazione di bilancio è possibile dimostrare che, esplicitando tutti i termini del bilancio, l equazione di benessere è una funzione di: S=f(M, I cl, t a, t mr, v a, U.R., ) I parametri che, influenzando gli scambi termici tra individuo e ambiente, determinano le condizioni di benessere, sono quindi: 4 parametri ambientali la temperatura dell'aria ambiente, che influenza gli scambi termici convettivi; la temperatura media radiante, che influenza gli scambi termici radiativi; la velocità relativa dell'aria, che influenza gli scambio termici convettivi; l'umidità relativa dell'aria, che influenza lo scambio evaporativo dal corpo. 2 parametri individuali il dispendio metabolico M (correlato all attività svolta) la resistenza termica conduttiva ed evaporativa del vestiario

49 Grandezze di riferimento Analizzando la struttura degli indici esistenti per la valutazione del comfort termico ed inoltre esaminando l equazione di bilancio del corpo umano possiamo affermare che le variabili necessarie, da conoscere e calcolare, si possono dividere in due categorie: grandezze relative all ambiente; grandezze relative alla persona;

50 Le grandezze relative all ambiente di cui si dovrà tener presente sono: temperatura dell aria; temperatura radiante; velocità dell aria; umidità relativa; per quanto riguarda le variabili necessarie per valutare l equazione di bilancio del corpo umano legate alle caratteristiche del soggetto, sono: attività metabolica; resistenza termica dell abbigliamento;

51 Le prime si ricavano attraverso misurazioni nell ambiente esaminato, le seconde si possono sia ricavare da misurazioni oppure valutate con formule empiriche o, infine, assegnate in modo standard Elementi nel bilancio termico Grandezze interessate t a t mr v a U.R. (p a ) I cl M Calore perso con la respirazione: C RES E RES X X X X X X Calore prodotto M Irraggiamento R X X Convezione C X X X Diffusione ED X X Sudorazione S Grandezze coinvolte nel bilancio termico X X

52 GRANDEZZE RELATIVE ALL AMBIENTE Temperatura dell aria La temperatura dell aria può essere espressa in C (t a ) oppure in kelvin (T a ). Deve essere misurata nell intorno del corpo umano. Il soggetto reagirà sia a scambi di calore convettivi, con l aria, che radianti, con le superfici circostanti. La temperatura finale del soggetto sarà quella per cui lo scambio termico totale è nullo. Se la temperatura radiante è differente dalla temperatura dell'aria (e si deve supporlo) allora la temperatura dell aria misurata avrà un valore intermedio.

53 Per misurare la sola temperatura dell'aria si deve minimizzare l'effetto dello scambio di calore radiante. Nel caso di misurazione con sensori ciò è fatto generalmente in tre modi: 1. Riducendo il formato del sensore di temperatura dell'aria (questo sposta l'equilibrio fra la temperatura dell aria e quella radiante verso la prima); 2. Proteggendo il sensore dalle superfici circostanti, preferibilmente con uno schermo inargentato che rifletterà il calore radiante; 3. Aumentando la ventilazione nelle vicinanze del sensore.

54 Temperatura radiante La temperatura media radiante si misura in C (t mr ) oppure in kelvin (T r ). Assieme alla temperatura dell aria, la temperatura radiante è il fattore che influenza maggiormente la sensazione di calore perché la radiazione che cade sulla cute ne attiva i recettori. Se il corpo è esposto a superfici fredde, una quantità sensibile di calore è emessa sotto forma di radiazione verso queste superfici, producendo una sensazione di freddo. La temperatura radiante non coincide con la temperatura dell'aria: se all'interno di una stanza ci sono delle superfici che presentano una temperatura molto più alta di quella dell'aria (si pensi alla fiamma di un caminetto o ad una finestra su cui batte il sole), la temperatura media radiante è una media pesata delle temperature delle superfici che delimitano l ambiente incluso l effetto dell irraggiamento solare incidente che influisce sugli scambi per irraggiamento e varia localmente.

55 La temperatura media radiante, t mr, si calcola con uno strumento chiamato globotermometro, costituito da una palla nera (in modo da essere massimamente sensibile alla temperatura radiante) e da un termometro. La temperatura del globotermometro, o globo di Vernon, può essere significativamente più alta della temperatura dell'aria. Si può dire che, in condizioni normali, mantenere una certa differenza tra la temperatura media radiante e la temperatura dell'aria (dove T r è significativamente più alta di T a ) sia un pregio dal punto di vista della qualità dell'ambiente.

56 La variazione di 1 C nella temperatura dell aria può essere compensata da una variazione contraria da 0.5 a 0.8 C nella T mr ; la condizione più confortevole è stata considerata quella corrispondente ad una T mr di 2 C più alta della temperatura dell aria. Una T mr più bassa di 2 C è tollerabile se la radiazione emessa dal corpo è quasi la stessa in tutte le direzioni; ciò avviene solo se le temperature superficiali dell ambiente circostante sono praticamente uniformi. Conoscendo la temperatura e le dimensioni del globo di Vernon, la velocità e temperatura dell aria si può calcolare con la seguente relazione: 0, v T 1, 3 10 ( ) * a mr Tg Tg T [K] a 0,4 d

57 Esistono altri modi per calcolare la temperatura media radiante i due più importanti si basano: sulla temperatura delle superfici circostanti e il fattore di vista o sulla conoscenza della temperatura piana radiante. Nel primo caso la formula per il calcolo è la seguente: N 4 4 Tmr Ti Fp i i 1 dove Ti è la temperatura della i-esima superficie e Fp-i è il fattore di vista calcolabile dalle seguenti figure.

58 Grafici per il calcolo del fattore di vista

59 Nel caso in cui la differenza tra le temperature delle pareti è piccola la formula si può semplificare nella seguente espressione: T N T F mr i p i i 1 La seconda maniera per il calcolo della temperatura media radiante con buona accuratezza, utilizza i valori della temperatura piana radiante T pr : t me 0,18 t pr ( up) t pr ( down) 0, 22 t pr ( dx) t pr ( sx) 0,35 t pr ( front) t pr ( back) 2 (0,18 0, 22 0,35) Tale relazione vale per una persona seduta, per una persona in piedi vi è una relazione analoga in cui cambiano i pesi delle varie temperature.

60 Temperatura piana radiante Per il calcolo della temperatura piana radiante si utilizzano le seguenti relazioni: n 4 4 pr pl i ( i 273) 273 i 1 t F t con t i = la temperatura della i-esima superficie F pl-i = Fattore di vista tra un elemento piano e la superficie esima, SF pl-1 =1

61 F pl 2 1 x 1 y y 1 x tan tan x 1 x 1 y 1 y F pl y 1 1 tan tan 2 y x y x y Grafici per il calcolo del fattore di vista piano

62 Velocità dell aria La velocità dell aria è una quantità definita dalla intensità, direzione e verso; si misura in metri al secondo. La velocità dell aria in ogni punto dello spazio fluttua nel tempo e dunque è necessario tener presente queste variazioni nel tempo. Un flusso d aria può essere descritto dalla velocità media, definita come la media delle velocità in un intervallo di tempo e dalla deviazione standard della velocità, SD, definita dalla seguente equazione: n 1 SD ( vai va ) n 1 i 1 dove v ai è la velocità all istante i. 2

63 L intensità della turbolenza del flusso, Tu, è espressa, in forma percentuale, come la deviazione standard diviso la velocità media: T u SD v a 100 La normativa ASHRAE ha tracciato diagrammi in funzione dell attività svolta, che collegano la temperatura e la velocità dell aria in modo da avere sensazioni di caldo o di freddo accettabili nell intorno dell ottimo.

64 Range ottimali ed accettabili di temperatura e velocità dell'aria, M costante

65 Umidità relativa L umidità dell aria deve essere presa in considerazione in quanto altera il trasferimento di calore tramite respirazione, diffusione e sudorazione delle persone. L aria umida è una miscellanea di vari gas che si possono dividere in due gruppi: gas che compongono l aria secca (ossigeno, azoto, etc.); vapore acqueo; Per ogni temperatura, l aria può contenere al massimo una determinata quantità di vapore acqueo oltre tale valore questo condensa. I valori della quantità reale di acqua contenuta nell'aria caratterizzano l'umidità assoluta dell'ambiente. I parametri che danno la composizione dell'aria in termini di vapore acqueo rispetto all'importo che massimo può tenere ad una data temperatura caratterizzano l'umidità relativa dell'ambiente.

66 L umidità relativa (e) è il rapporto tra la pressione parziale del vapor d acqua p a, nell aria umida e la pressione di saturazione del vapor d acqua p as alla solita temperatura e pressione totale: e L umidità relativa è spesso anche espressa come una percentuale UR=100e p p In ogni modo si può affermare che in ambienti moderati l umidità dell aria ha un impatto modesto sulla sensazione termica; tipicamente un aumento dell umidità relativa di +10% corrisponde ad una variazione di temperatura pari a 0,3 C. Il valore dell umidità relativa per un ambiente termicamente confortevole non deve essere più basso del 30% e non deve superare il 70% per non creare problemi dal punto di vista igenico-ambientali in quanto valori oltre tali limiti possono portare al rischio di pelle sgradevolmente bagnata o secca, irritazioni degli occhi, presenza di elettricità statica, sviluppo di microbi e malattie respiratorie. a as

67 Normativa Tecnica SCOPO TITOLO - Ergonomia degli ambienti termici NORMA Presentazione generale delle norme Principi e applicazione delle relative norme internazionali. UNI EN ISO 11399: 2001 Stand. quantità, simboli e unità Ergonomia degli ambienti termici - Vocabolario e simboli UNI EN ISO 13731: 2004 Valutazione dello stress termico in amb. caldi Valutazione benessere in ambienti moderati Metodo analitico Metodo Diagnostico Valutazione dello stress termico in ambienti freddi Analisi dei metodi di misura Valutazione dello stress termico utilizzando misure fisiologiche Valutazione soggettiva influenza del benessere termoigrometrico Determinazione analitica ed interpretazione dello stress termico da calore mediante il calcolo della sollecitazione termica prevedibile. Ambienti caldi. Valutazione dello stress termico per l'uomo negli ambienti di lavoro, basata sull'indice WBGT. Ambienti termici moderati. Determinazione degli indici PMV e PPD e specifiche per le condizioni di benessere termico. Valutazione degli ambienti freddi Determinazione dell isolamento richiesto dagli indumenti (IREQ). UNI EN ISO 7933: 2005 UNI EN 27243: 1996 (ISO 7243) UNI EN ISO 7730: 1997 (IN REV) UNI ENV ISO (IN REV) Tasso Metabolico Determinazione del metabolismo energetico UNI EN ISO 8996: 2005 Specifiche strum. Strumenti per la misurazione delle grandezze fisiche UNI EN ISO 7726: 2002 Resistenza abbigl. Valutazione isolamento termico e resistenza evaporativa dell abbig. UNI EN ISO 9920: 2004 Valutazione degli effetti termici (thermal strain) mediante misurazioni fisiologiche. Valutazione dell influenza degli ambienti termici mediante scale di giudizio soggettivo UNI EN ISO 9886: 2004 UNI EN ISO 10551: 2002 Selez. sistema di supervis. medica Supervisione medica persone esposte ad ambienti molt caldi o freddi UNI EN ISO 12894: 2002 Strategia di valutazione del rischio termico Strategia di valutazione del rischio per la prevenzione dello stress o del disagio termico in condizioni di lavoro UNI EN ISO

68 Legislazione Nazionale DPR 303/56 (art. 7, art. 9 art. 11) Norme generali per l'igiene del lavoro Legge 864/70 (art. 10) Ratifica ed esecuzione delle Convenzioni nn. 91, 99, 103, 112, 115, 119, 120, 122, 123, 124 e 127 dell'organizzazione internazionale del lavoro Direttiva CEE 89/654 (All. I, punto 7.1) Prescrizioni minime di sicurezza e di salute per i luoghi di lavoro Direttiva CEE 92/104 (Allegato, punto ) Prescrizioni minime intese al miglioramento della tutela della sicurezza e della salute dei lavoratori delle industrie estrattive a cielo aperto o sotterranee D.Lgs 277/91 Attuazione delle direttive CEE in materia di protezione dei lavoratori contro i rischi derivanti da esposizioni ad agenti chimici, fisici e biologici durante il lavoro D.P.R. 412/93: Regolamento recante norme per la progettazione, l'installazione, l'esercizio e la manutenzione degli impianti termici degli edifici ai fini del contenimento dei consumi di energia, in attuazione dell'art. 4, comma 4, della legge 9 gennaio 1991, n. 10. D.lgs. 9 aprile 2008, n. 81 TESTO UNICO SULLA SALUTE E SICUREZZA SUL LAVORO Attuazione dell articolo 1 della Legge 3 agosto 2007, n. 123 in materia di tutela della salute e della sicurezza nei luoghi di lavoro. (Gazzetta Ufficiale n. 101 del 30 aprile Suppl. Ordinario n. 108) (Decreto integrativo e correttivo: Gazzetta Ufficiale n. 180 del 05 agosto 2009 Suppl. Ordinario n. 142)

69 Codice civile (art. 2087) Legislazione Nazionale Obbligo per il datore di lavoro di "adottare le misure che, secondo la particolarità del lavoro, l'esperienza e la tecnica sono necessarie a tutelare l'integrità fisica e la personalità morale dei lavoratori" Legge 864/70 (art. 10 ) Direttiva CEE 89/654 (Allegato I, punto 7.1 ) DL 277/91 Direttiva CEE 92/104 (Allegato, punto ) DPR 303/56 (modificato DL 81/08) (art. 7) (art. 9) (art.11) Nei locali utilizzati dai lavoratori deve essere mantenuta la temperatura più confortevole e più stabile possibile in relazione alle circostanze La temperatura dei locali di lavoro dev essere adeguata all'organismo umano durante il tempo di lavoro, tenuto conto dei metodi di lavoro applicati e degli sforzi fisici imposti ai lavoratori Per T>26 C: U.R. Max 60%; Garantire circolazione aria fresca; Limitare esposizione in ambienti caldi Per T< 18 C: Dotare i lavoratori di DPI; Assegnare periodi di riposo in locali con temperature miti Per 18 C < T < 26 C; UR% ~50%; Isolare/scherm. sup.calde/fredde; Contr.correnti aria fredda/calda su pers Nei luoghi di lavoro chiusi occorre provvedere affinché, in relazione ai metodi di lavoro in uso ed all'entità delle sollecitazioni fisiche a carico dei lavoratori, questi ultimi dispongano di sufficiente aria fresca Se non diversamente richiesto da necessità di lavoraz., è vietato adibire a lavori continui locali chiusi senza: buona difesa contro gli agenti atmosferici isolamento termico sufficiente (tenuto anche conto del tipo di impresa) aperture sufficienti per un rapido ricambio d'aria ben asciutti e ben difesi contro l'umidità Nei luoghi di lavoro chiusi i lavoratori devono disporre di aria salubre in quantità sufficiente e l eventuale impianto di aerazione deve essere sempre mantenuto efficiente e si devono evitare correnti d'aria fastidiose (in analogia con quanto previsto dall art. 6 direttiva 89/654/CEE) La temperatura nei locali di lavoro deve essere adeguata all organismo umano durante il tempo di lavoro, tenuto conto dei metodi di lavoro applicati e degli sforzi fisici imposti ai lavoratori Nel giudizio sulla temperatura adeguata per i lavoratori si deve tener conto dell influenza che possono esercitare sopra di esso il grado di umidità ed il movimento dell aria concomitanti La temperatura dei locali di riposo, dei locali per il personale di sorveglianza, dei servizi igienici, delle mense e dei locali di pronto soccorso deve essere conforme alla destinazione specifica di questi locali

70 Indice PARTE 2 Gli ambienti moderati Generalità Gli indici di benessere Indici di sensazione (PMV-PPD) Fattori di discomfort locale Differenza temperatura testa-caviglia Temperatura pavimento Asimmetria radiante (pareti, soffitto) Correnti d aria Misura dei parametri ambientali Gli strumenti di misura

71 Benessere Termoigrometrico Verifica della sensibilità dell'individuo alle variazioni di temperatura, di umidità relativa e di velocità dell'aria, attraverso la valutazione degli indici Predicted Mean Vote PMV e Predicted Percentage of Dissatisfied PPD

72 Gli indici del comfort termoigrometrico Indici di sensazione usati per valutare in un determinato ambiente termico di quanto si è lontani dalle condizioni di comfort (livello di accettabilità) PMV: indice di gradimento, esprime il voto che un utente medio darebbe all ambiente in cui si trova, al variare dei parametri fisici PPD: percentuale di persone insoddisfatte in un determinato ambiente termico

73 CRITERI DI ACCETTABILITÀ DI UN AMBIENTE TERMICAMENTE CONFORTEVOLE Negli ambienti civili l utilizzo di indici per la valutazione del comfort termico è limitato da intervalli precisi cui bisogna attenersi per l escursione delle grandezze da misurare. Ciò è dovuto al fatto che tali indici sono stati dimostrati validi e coerenti con le sensazioni termiche provate dai soggetti su cui venivano testati solo entro specifici range di variazione.

74 Per quanto riguarda la normativa UNI i range di variazione delle grandezze sono elencati nella seguente tabella. Grandezza Unità di Misura Valore Minimo Valore Massimo Attività Metabolica [W/m2] ([met]) 46 (0,8) 232 (4) Resistenza Termica Vestiario [m 2 C/W] ([clo]) 0 (0) 0,310 (2) Temperatura dell aria [ C] Temperatura Media Radiante [ C] Velocità dell aria [m/s] 0 1 Umidità Relativa [%] Intervalli di variazione dei parametri principali

75 L indice utilizzato dalla UNI, il PMV, è definito per condizioni di regime stazionario; può essere adoperato, con risultati comunque soddisfacenti, anche per lievi variazioni di uno o più parametri, considerando per tali variabili opportune medie temporali. Per evitare il disagio locale le norme UNI e quelle americane della ASHRAE prevedono: Grandezza Norma di Riferimento PPD UNI EN ISO 7730 ASHRAE t a (vert.) 3 C 3 C 5% t pr (orizz.) 10 C 10 C 5% t pr (vert.) 5 C 5 C 5% t (pav.) % v a DR 15 DR 15 15% Criteri di accettabilità di un ambiente termico

76 Si devono tener presente due differenze tra le normative messe a confronto: 1. la variazione di temperatura verticale deve essere per entrambe minore o uguale di 3 C ma la norma UNI richiede la misurazione a 0,1m e 1,1m dal pavimento, cioè livello testa caviglie per individuo seduto, invece la ASHRAE tra 0,1m e 1,7m, considera perciò un individuo in posizione eretta. 2. non ci sono distinzioni per la valutazione della resistenza termica del vestiario per il periodo estivo, Icl=0,5, al contrario per il periodo invernale la normativa americana considera il soggetto standard con resistenza termica Icl=0,9 invece la UNI con Icl=1.

77 Il Comfort Termoigrometrico Globale PMV (Predicted Mean Vote) definito da Fanger (1970) ed adottato dalla norma UNI EN ISO 7730 La neutralità termica è caratterizzata da PMV=0. Ambienti mediamente confortevoli - 0,50<PMV<0,50 (Rif. UNI-EN-ISO 7730:1997) La EN-ISO 7730:2005 (non ancora tradotta in italiano) indica tre categorie di comfort per attività sedentarie leggere: (A) con -0,2<PMV<0,2 (B) con -0,5<PMV<0,5 (C) con -0,7<PMV<0,7

78 Ambienti termici moderati: Indici di benessere Teoria di Fanger (UNI EN ISO 7730) L'indice PMV (Voto Medio Previsto), proposto da Fanger, è definito sulla scala bipolare ASHRAE a 7 punti riportata in Tabella I e si basa su due assunzioni analizzando le esperienze condotte su circa 1300 individui: a) la sensazione di caldo o di freddo che prova un individuo è proporzionale al carico termico, L, definito con il valore reale dell attività svolta; b) la relazione tra l indice PMV, ovvero la sensazione di caldo o di freddo avvertita da un individuo medio espressa come voto sulla scala a sette punti, ed il carico termico ora definito è la seguente: PMV = [0,303 exp(-0,036 M) + 0,028] L dalla quale si perviene all equazione che permette la valutazione dell indice PMV (a partire dalle sei grandezze esaminate) come media pesata utilizzando come coefficienti di peso le conduttanze radiative e convettive; L indice PPD (Percentuale prevista di insoddisfatti) definita come la percentuale prevista di insoddisfatti correlata al PMV, ottenendo il diagramma di Figura da esso si evince che la percentuale di insoddisfatti, ovvero l indice PPD, è pari al 5% per PMV uguale a 0, diventa il 10% ai limiti dell intervallo di benessere (+0,50-0,50) e cresce rapidamente all allontanarsi del PMV dai valori di comfort.

79 L equazione del comfort

80 Il Comfort Termoigrometrico Globale In Tabella sono riportati valori della temperatura operativa t 0 per i quali si rientra nelle condizioni di benessere per attività leggere (50% di umidità relativa e velocità media dell aria 0,15 m/s) in ambienti moderati l umidità influisce sul valore della sensazione termica. A parità di valori delle altre variabili, per uguali PMV, t a deve variare di 1 C passando da =30% a =70% (limiti dovuti a motivi indipendenti dalle sensazioni termiche) NOTA: per valori minori di 0,30 si seccano le mucose con diminuzione delle difese per germi e batteri, per valori maggiori di 0,70 aumentano i rischi di allergie e le probabilità che si formi condensa su punti freddi con conseguente sviluppo di muffe.

81 Influenza della U.R. sul PMV

82 Il Comfort Termoigrometrico Globale Confronto tra due persone diversamente vestite PPD (Predicted Percentage Dissatisfied) 1.2 met 1.0 Clo 0.5 Clo Operative Temperature

83 Il Comfort Termoigrometrico Globale Confronto tra le temperature operative ottimali (PMV=0) al variare di M e Icl

84 Il Discomfort Locale PMV e PPD valutano il comfort globale in funzione dei valori medi delle variabili ambientali. Ma essi rappresentano condizioni necessarie ma non sufficienti per il benessere negli ambienti mediamente confortevoli -0,5<PMV<0,5 5%< PPD< 10% Deve essere nullo anche il discomfort dovuto a disuniformità delle variabili ambientali, cioè non deve esserci discomfort locale.

85 Le cause di discomfort locale sono elevata differenza verticale della temperatura dell aria - valore limite di insoddisfatti 5% (Cat.B) pavimento troppo caldo o troppo freddo - valore limite di insoddisfatti 10% (Cat.B) elevata asimmetria media radiante - valore limite di insoddisfatti 5% (Cat.B) correnti d aria: - valore limite di insoddisfatti 15% (Cat.B) Discomfort Locale (UNI EN ISO 7730: 1997)

86 Discomfort Locale Discomfort Locale (UNI EN ISO 7730: 2005)

87 Fattori di Discomfort: differenza temperatura verticale elevata differenza verticale della temperatura dell aria - valore limite di insoddisfatti 5% (cat.b) limite accettabile T=3 C tra T misurata ad h=1,1 e h=0,1 m dal pavimento

88 Fattori di Discomfort: temperatura pavimento pavimento troppo caldo o troppo freddo - valore limite di insoddisfatti 10% (Cat. B) per stagione invernale T superficiale C, (con 29 C per riscaldamento a pavimento)

89 Fattori di Discomfort: Asimmetria temperatura media radiante elevata asimmetria media radiante - valore limite di insoddisfatti 5% Cat B) stagione invernale: con finestre o superfici verticali fredde, in direzione orizzontale < 10 C, per soffitto riscaldato, in direzione verticale <5 C

90 PPD Università degli Studi di Cassino correnti d aria: - valore limite di insoddisfatti 15% (Cat.B) indice DR (Draught Rate, Rischio da Corrente d aria) massimo 15 (praticamente sempre per Va 0,15 m/s) Fattori di Discomfort: velocità dell aria

91 Posizionamento delle misure m m m m m m

92 Tecnica del controllo ambientale: Il benessere Termoigrometrico Gli ambienti severi

93 Indice PARTE III Gli ambienti severi Generalità Gli ambienti severi caldi gli indici di stress strumentali (WBGT, ) gli indici di stress fisiologici (HSI, ITS, SREQ ) Gli ambienti severi freddi gli indici di stress complessivo (IREQ, RT, DLE) gli indici di stress locale (WCI, Tch, ECT, )

94 Ambienti termici severi caldi: generalità (UNI EN ISO 7243) Gli ambienti termici severi caldi sono quegli ambienti in cui è richiesto un notevole intervento del sistema di termoregolazione dell organismo (attraverso i meccanismi di vasodilatazione e sudorazione) al fine di diminuire l accumulo di energia termica nel corpo. In particolare, gli ambienti severi caldi sono caratterizzati da: valori di to e umidità elevati (anche in relazione all attività svolta,m, del vestiario Icl) condizioni termoigrometriche disomogenee e instabili disuniformità dell attività svolta e del vestiario dei vari soggetti operanti negli ambienti La valutazione degli ambienti severi caldi viene fatta in termini di stress termico cui è soggetto il lavoratore, derivante da produzione di calore metabolico, da fattori ambientali e dal vestiario.

95 Ambienti termici severi caldi: indici di stress (UNI EN ISO 7243) L indice utilizzato dalla norma ISO per la valutazione dello stress termico è il WBGT (Wet Bulbe Globe Temperature) definito come: WBGT = 0,7 tnw + 0,3 tg (negli ambienti chiusi) WBGT = 0,7 tnw + 0,2 tg + 0,1 ta (nell ambiente esterno) dove: tnw è la temperatura di bulbo umido naturalmente ventilato (connessa all umidità dell aria), tg è la temperatura del globotermometro (connessa all esposizione diretta alla radiazione termica) ta è la temperatura dell aria. Nota A seconda della posizione dell operatore vengono effettuate medie pesate del WBGT su misure: - a 0.1m (caviglie), 1.1m (addome) e 1.7 (testa) se l operatore è in piedi; - a 0.1m (caviglie), 0.6m (addome) e 1.1 (testa) se l operatore è seduto. Nel caso di carichi termici non stazionari è necessario effettuare una media temporale del WBGT

96 Ambienti termici severi caldi: Limiti (UNI EN ISO 7243) I valori limite di WBGT sono tali da non provocare un aumento della temperatura del nucleo corporeo oltre 38 C. Essi sono calcolati in funzione del carico di lavoro manuale in cui il soggetto è impegnato (a riposo - leggero moderato pesante molto pesante), del rapporto percentuale tra tempi di lavoro e tempi di recupero e si differenziano per soggetti acclimatati e non acclimatati Classe di tasso metabolica Classe di Tasso Metabolica Per unità di area (W/m2) Tasso Metabolico M Per un individuo di area 1,8 m2 (W) Persona acclimatata ( C) Valore limite WBGT Persona non acclimatata ( C) 0 (a riposo) M 65 M <M <M <M <M <M <M 468 Aria stagnante 25 Aria non stagnante 26 Aria stagnante 22 Aria non stagnante 23 4 M>260 M> Nota - I valori sono stati stabiliti per una temperatura rettale massima di 38 C

97 Ambienti severi Caldi: Indici di Stress Globali e Locali L indice PHS (predicted heat strain) utilizzato negli ambienti severi caldi offre la possibilità di seguire nel tempo l evoluzione delle diverse quantità che descrivono la risposta fisiologica del corpo umano. In particolare esso consiste nella determinazione di tutte le variabili fisiologiche di stress e strain che caratterizzano la risposta individuale quali: la potenza termica dissipabile per sudorazione SWp la frazione di pelle bagnata wp la quantità di acqua perduta dal corpo umano D le temperature caratteristiche del corpo umano (pelle, nucleo, rettale)

98 Ambienti termici severi caldi: PHS (UNI EN ISO 7933:2005) La valutazione dell accetabilità dell ambiente termico viene effettuata confrontando i due indici di stress SW req e w req ed i due indici di strain D t re con i rispettivi valori limite Quantità Ind. Non accl. Ind. accl. SW max [g/h] 2,6(M-32)A DU 3,25(M-32)A DU w max 0,85 1 Quantità Accesso ai liquidi libero nessuno D max 5% della massa corporea 3% della massa corporea T re,max [ C] 38 D lim = min(d lim-tre, D limloss95 )

99 Ambienti termici severi Omeotermia Esposizione ad alte temperature Esposizione a basse temperature Termogenesi : produzione di calore Processi Termodispersione: dispersione del calore Crampi da calore Esaurimento da calore Colpo di calore Colpo di sole. Patologie Edemi da freddo. Assideramento. Congelamento.

100 Ambienti termici severi caldi UNI EN ISO 7243 Indice WBGT (Wet Bulb Globe Temperature) Espresso in C Valutazione rapida dell esposizione ad ambienti termici severi caldi per lunghi periodi tempo Prevenzione mediante la riduzione dei tempi di esposizione. Utilizzo di ulteriori sistemi di valutazione nei casi di stress accertati. Applicabile ad esposizioni di durata non inferiore ai 30 min. Calcolato per un isolamento termico del vestiario I = 0,6 clo. Non tiene conto della risposta fisiologica dell organismo.

101 Ambienti termici severi caldi UNI EN ISO 7243 Indice WBGT (Wet Bulb Globe Temperature) WBGT = 0.7 twn +0.2 tg ta WBGT = 0.7 twn tg Grandezze derivate : twn = temperatura di bulbo umido a ventilazione naturale. tg = temperatura di globo. Grandezze fondamentali : ta = temperatura dell aria.

102 Ambienti termici severi caldi UNI EN ISO 7243 Specifiche di misura : Indice WBGT (Wet Bulb Globe Temperature) Ambienti non omogenei Misura liv. Testa livell. Addome liv. Caviglie Media pesata con valore doppio per la misura a livello addome Ambienti omogenei Una sola misura del valore massimo Ambienti non stazionari Misure delle grandezze in tutto il periodo. Media pesata secondo la durata di ciascun intervallo.

103 Ambienti termici severi caldi UNI EN ISO 7243 Indice WBGT (Wet Bulb Globe Temperature) PROSPETTO DEI VALORI LIMITE DELL'INDICE DI STRESS TERMICO WBGT Tasso metabolico, M Valore limite di WBGT Classe di tasso metabolic a 0 (a riposo) Relativa ad un area unitaria di superficie della pelle W/m 2 Totale ( per un area media della superfi-cie della pelle di 1,8 m 2 ) W Persona acclimatata al calore C Persona non acclimatata al calore C M 65 M < M < M < M < M < M < M 468 Aria stagnant e 25 Aria non stagnant e 26 Aria stagnante 22 Aria non stagnante 26 4 M > 260 M > Nota - I valori dati sono stati stabiliti prendendo come riferimento una temperatura rettale massima di 38 C per le persone in esame.

104 Ambienti termici severi caldi UNI EN ISO 7243 Tempi di esposizione e di riposo Indice WBGT (Wet Bulb Globe Temperature) 1) 25% lavoro 75% riposo 2) 50% lavoro 50% riposo 3) 75% lavoro 25% riposo 4) lavoro continuo Y WBGT C X W/m 2 Z Lavoro metabolico W I valori sono calcolati su base 1 h per ambienti di riposo con condizioni molto prossime a quelle di lavoro

105 UNI EN ISO 7933 (2005) Gli scambi termici in ambienti severi caldi. Ereq = M W CRES ERES C R dseq * dseq potenza termica associata all incremento di temperatura del corpo umano La temperatura corporea tende a diventare troppo alta ed allora il sistema termoregolatore si attiva al fine di dissipare calore attraverso la vasodilatazione, la sudorazione e la diminuzione della produzione di calore e, quindi, di limitare l accumulo termico. Quando i meccanismi di termoregolazione non sono più sufficienti a mantenere l'equilibrio termico, la temperatura corporea interna si innalza provocando manifestazioni patologiche anche gravi che, se non trattate, possono avere conseguenze persino fatali

106 Metodo UNI EN ISO 7933 (2005), Calcolo PHS. Negli ambienti severi la sudorazione svolge un ruolo primario nella conservazione della neutralità termica. L equazione del bilancio termico viene risolta in termini di potenza termica da dissipare con l evaporazione. A partire dai parametri misurati nell ambiente e tenendo conto dell attività svolta e dell abbigliamento utilizzato si calcolano i seguenti indici di stress fisiologico : SW max rappresenta la massima potenza termica dissipabile per sudorazione w max massima frazione di pelle dalla quale può essere realisticamente fatto evaporare il sudore; D max stabilisce la massima perdita d acqua t re,max rappresenta il valore massimo accettabile della temperatura rettale Il tempo necessario a raggiungere il valore limite per almeno uno degli indici di stress costituisce il tempo massimo di esposizione Dlim. E inoltre possibile calcolare la durata delle pause necessarie.

107 PHS Intervalli di applicabilità Quantità Simbo lo Intervallo utile Viene richiesta una supervisione medica diretta e personalizzata sui soggetti a rischio quando : La pressione del vapore acqueo in aria è tale da impedire la sudorazione Tempo massimo di esposizione Dlim < 30 minuti Unità di misura temperatura dell'aria t a C differenza fra t a e t r t r t a C pressione parziale del vapore acqueo p a Pa velocità dell'aria v a 0 3 m/s attività metabolica M W isolamento termico del vestiario I cl 0,1 1 clo

108 la massa corporea è fissata a 75 kg e di conseguenza il valore limite per la perdita di liquidi Dmax95 è fissato a 3750 g (libero accesso a liquidi).

109 Controllo del microclima in ambienti termici severi caldi interposizione di schermi che evitino l esposizione diretta del soggetto alla radiazione o installazione di cabine climatizzate

110 Estrazione di grandi volumi di aria dalle immediate vicinanze delle sorgenti di calore

111 la somministrazione di abbondanti liquidi da quella dei sali minerali che vengono persi con la sudorazione, in particolar modo sodio e potassio l acclimatamento progressivo in occasione di esposizioni sistematiche

112 Sicurezza sul lavoro Analisi di benessere termoigrometrici Interventi correttivi tipici atti a migliorare il comfort e/o ridurre stress termoigrometrico Sensibilizzazione degli operatori

113 UTILIZZO DI DPI CERTIFICATI PER LA PROTEZIONE DAL CALORE

114 Ambienti termici severi freddi: Generalità (UNI EN ISO 11079) Gli ambienti termici severi freddi sono quegli ambienti nei quali è richiesto un notevole intervento del sistema di termoregolazione dell organismo (attraverso i meccanismi di vasocostrizione e brivido) al fine di limitare la diminuzione della temperatura del corpo con particolare riferimento al nucleo. In particolare, gli ambienti severi freddi sono caratterizzati da: Valori bassi (0 10 C per ambienti moderatamente freddi e inferiori a 0 C per ambienti severi freddi) condizioni termoigrometriche moderatamente variabili nello spazio e nel tempo attività fisica e tipologia del vestiario uniformi Al contrario degli ambienti caldi è possibile negli ambienti freddi contrastare lo scambio termico con un isolamento del vestiario e DPI con le seguenti limitazioni: un isolamento troppo spinto può limitare nel movimento l operatore un eccessivo isolamento termico può impedire la traspirazione determinando un accumulo di sudore ad una situazione termica neutra complessiva dell organismo può associarsi un raffreddamento eccessivo di alcuni distretti (mani, piedi, viso)

115 Ambienti termici severi freddi: Indici di stress (UNI EN ISO 11079) RAFFREDDAMENTO COMPLESSIVO L indice utilizzato per la valutazione dello stress termico da raffreddamento complessivo èl IREQ (m2 C/W) che esprime l isolamento termico dell abbigliamento richiesto tsk tcl IREQ M W E res C res E dove tsk è la temperatura della pelle ( C) tcl è la temperatura dell indumento ( C) Quando l abbigliamento è insufficiente a garantire una neutralità termica è necessario stimare: il DLE (durata limite di esposizione) 40,0 DLE S l RT (tempo di recupero) RAFFREDDAMENTO LOCALE L indice utilizzato per la valutazione dello stress termico da raffreddamento locale è il WCI (Wind Chill Index) che esprime, l entità della potenza termica per unità di superficie perduta dall organismo in funzione della temperatura e della velocità del vento WCI = , v - v )( 33 - t ) a a a 40,0 RT S rec dove ta la temperatura dell aria ( C) va la velocità dell aria (m/s) Una grandezza correlata al WCI è il Tch (temperatura di chilling), definita come la temperatura equivalente di sensazione di freddo in aria calma (1,8m/s) t ch 33 WCI 25,5 Temperatura mani (tmin 15 C) Temperatura occhi e vie respiratorie (ta<40)

116 Ambienti termici severi freddi: Limiti WCI [kw(m2)] ECT [ C] EFFETTO su pareti del corpo nude, direttamente esposte sensazione di freddo intenso limite del rischio di congelamento rapido congelamento dopo 1 h di esposizione congelamento dopo 1 min di esposizione congelamento dopo 30 s di esposizione

117 Ambienti termici severi freddi UNI ENV ISO 11079:2001 Isolamento richiesto Principi del metodo : Lo stress da freddo viene valutato in termini di raffreddamento di tutto il corpo o di una parte del corpo Raffreddamento corpo intero 1.Calcolo Isolamento del vestiario richiesto (IREQ) 2.Confronto con vestiario utilizzato 3.Calcolo DLE Raffreddamento di parti del corpo Raffreddamento convettivo Calcolo Wind Chill Index

118 METODO UNI ENV ISO 11079:2001 CALCOLO Isolamento richiesto. L equazione del bilancio energetico viene risolta in due diverse ipotesi per il calcolo di due diversi valori di IREQ : IREQmin capace di assicurare condizioni minime accettabili ( con presenza di una sensibile, ma tollerabile, sensazione di freddo) IREQneutra capace di assicurare condizioni di neutralità termica Dal confronto di queste due quantità con l isolamento termico Iclr effettivamente garantito dall abbigliamento utilizzato Iclr < IREQmin implica protezione insufficiente, e conseguente rischio di ipotermia; IREQmin Iclr IREQneutral definisce l intervallo di accettabilità Iclr > IREQneutral implica iper-protezione, e conseguente rischio di sudorazione

119 UNI ENV ISO 11079:2001 Tempi di esposizione L esposizione ad ambienti severi freddi risulta limitata ad una durata massima: DLE = Qlim / S E possibile calcolare le pause con le quali interrompere l attività negli ambienti severi freddi, onde permettere un adeguato recupero termico. RT ( Recovery Time) può essere calcolata con lo stesso metodo con il quale viene calcolato DLE, ovvero come: RT = Qlim / S

120 UNI ENV ISO Indici di rischio locale Specifiche parti del corpo (mani, piedi, testa) sono esposte ad un eccessivo raffreddamento perch particolarmente sensibili al raffreddamento di tipo convettivo dovuto alla azione combinata della bassa temperatura e del vento. L indice sintetico utilizzato è il chilling temperature tch = 33 WCI / 25,5 dove l indice WCI (Wind Chill Index) è funzione della temperatura dell aria e della velocità del vento secondo l espressione WCI = 1,16 (10, va va) (33 ta) (2.10) I valori limite di tch contenuti nella norma tecnica UNI ENV ISO 11079:2001 sono di 14 C (soglia di allarme) e di 30 C (soglia di pericolo). Quest ultimo valore corrisponde al livello al quale si ha congelamento della parte esposta in un ora.

121 Ambienti termici severi freddi UNI ENV ISO 11079:2001 WCI - t ch ed effetti su parti del corpo nude direttamente esposte WCI (W/m 2 ) t ch ( C) effetto Freddo intenso Limite congelamento Congelamento dopo 1 ora Congelamento dopo 1 minuto Congelamento dopo 30 secondi t ch in funzione della temperatura attuale t a e della velocità del vento v a

122 UNI ENV ISO 11079:2001 LIMITI DI APPLICABILITA Quantità Simbol o Intervallo utile Unità di misura temperatura dell'aria t a < +10 C temperatura media radiante pressione parziale del vapore acqueo t r t a C p a Pa velocità relativa dell'aria v ar 0,4 18 m/s attività metabolica M 1 5 met isolamento termico del vestiario I cl clo

123 Il calcolo degli indici globale e locali nonché delle pause può essere fatto online al sito REQ2002alfa.htm

124 Controllo del microclima in ambienti termici severi freddi Riduzione della velocità dell aria, con l eventuale utilizzo di schermi o diffusori porosi.

125 installazione di uffici/box/cabine o utilizzo di muletti opportunamente climatizzati e ben isolati.

126 Celle automatizzate senza l accesso del personale

127 la realizzazione di un percorso controllato nei tempi e nei parametri termo-igrometrici tra le condizioni esterne (che in estate possono superare i 40 C) e gli ambienti di lavoro

128 UTILIZZO DI DISPOSITIVI DI PROTEZIONE CERTIFICATI CONTRO IL FREDDO

129 Strumenti e metodi di misura (UNI EN ISO 7726) Classe C (benessere) Grandezza Simbolo Campo di misura Precisione Temperatura dell aria t a 10 C 30 C Richiesta: 0,5 C Desiderabile: 0,2 C Per t r -t a = 10 C Temperatura media radiante t r 10 C 40 C Richiesta: 2 C Desiderabile: 0,2 C Quando non possono essere raggiunti indicare il valore effettivo della precisione Asimmetria della temperatura radiante Velocità dell aria v a 0,05 m/s 1 m/s Umidità assoluta espressa come pressione parziale del vapore d acqua t pr 0 K 20 K Richiesta: 1 K Desiderabile: 0,5 K p a 0,5 kpa 2,5 kpa Richiesta: 0,05+0,05 v a m/s Desiderabile: 0,02+0,07 v a m/s Per direzione del flusso interna ad un angolo solido pari a 3 sr 0,15 kpa Anche per temperature dell aria e delle pareti uguali o maggiori di 30 C per una differenza t r -t a di almeno 10 C Classe S (stress termico) Campo di Precisione misura -40 C +120 C Richiesta: -40 C 0 C: (0,5 + 0,01 t a ) C >0 C 50 C: 0,5 C >50 C 120 C: [0,5 + 0,04(t a -50)] C Desiderabile: Precisione richiesta/2 Per t r -t a = 20 C -40 C +150 C Richiesta: -40 C 0 C: (5 + 0,02 t r ) C >0 C 50 C: 5 C >50 C 150 C: [5 + 0,08(t r -50)] C Desiderabile: -40 C 0 C: (0,5 + 0,01 t r ) C >0 C 50 C: 0,5 C >50 C 150 C: [0,5 + 0,04(t r -50)] C 0 K 200 K Richiesta: 0 K 20 K: 2 K >20 K 200 K: 0.1 t pr Desiderabile: 0 K 20 K: 1 K >20 K 200 K: 0.5 t pr 0,2 m/s 10 Richiesta: m/s 0,1+0,05 v a m/s Desiderabile: 0,05+0,05 v a m/s Per direzione del flusso interna ad un angolo solido pari a 3 sr 0,5 kpa 6,0 kpa Temperatura di bulbo umido a t nw Uso non raccomandato 0,5 C 40 C 0,5 C ventilazione naturale Temperatura di globo t g Uso non raccomandato 20 C 120 C 20 C 50 C: 0,5 C >50 C 120 C: 1 C Temperatura di globo umido t wg Uso non raccomandato 0 C 80 C 0,5 C 0,15 kpa Anche per temperature dell aria e delle pareti uguali o maggiori di 30 C per una differenza t r -t a di almeno 10 C

130 Situazione Nazionale e locale Recepimento legislazione e normativa le diverse necessarie professionalità raramente vengono integrate e spesso sono confuse (tecnico di misura, ingegnere, medico, ); non esiste tra l atro un albo specifico; scarso interesse verso la problematica salvo nelle situazioni di stress (con conseguente perdita di produttività) i protocolli di valutazione termoigrometrica degli ambienti termici moderati quando applicati si limitano al calcolo degli indici di comfort (senza analisi soggettiva); gli strumenti di misura raramente sono a norma e quasi mai tarati (1 Centri di taratura S.I.T nel Lazio sulle grandezze ambientali) i DPI (dispositivi di protezione individuali) sono molto spesso non utilizzati e talvolta insufficienti; l incertezza di misura non viene generalmente valutata.

131 Esperienze di valutazione del benessere termoigrometrico nelle PMI in ambienti severi 131

132 Centro di fotoriproduzione e stampa Strada secondaria N 4.96 R 1 R5 R Strada ad alta densità di traffico 4.20 R2 Arredamento Fotocopiatrici Controllo fotoc. Altre macchine Condizionamento Imm. soffitto Splitter parete 4.34 R3 h =2.80 S =81.00 m 2 Aspir. pavim. Aspir. soffitto Umidificatore Splitter soffitto Estrattore fotocop. Asp. Esp. Esterni

133 Centro di fotoriproduzione e stampa Verifica invernale (U.R.ext 41% text 12.5 C) n ta U.R. Va CO2 tr to PMV PPD M I ( C) (%) (m/s) (p.p.m.) ( C) ( C) (%) met clo n.d n.d n.d n.d Verifica estiva (U.R.ext 71.5% text 23 C) n ta U.R. Va CO2 tr to PMV PPD M I ( C) (%) (m/s) (p.p.m.) ( C) ( C) (%) met clo

134 Centro di fotoriproduzione e stampa Calcolo del fabbisogno di aria primaria - norma ANSI/ASHRAE n Fabbisogno x persona m 3 /h N persone max Tot. m 3 /h Fabbisogno x superficie m 3 /h m 2 Superficie m 2 Tot. m 3 /h Portata necessaria m 3 /h Portata Immessa m 3 /h Tot

135 Centro telecomunicazioni 4.00 h = 2.60 mt. V = 75 m Commutatore Compressori Armadi apparati elettronici Bocchette di raffreddamento

136 Centro telecomunicazioni Verifica invernale parametri microclimatici. n ta U.R. Va CO2 tr to PMV PPD M I ( C) (%) (m/s) (p.p.m.) ( C) ( C) (%) met clo R R R Calcolo del fabbisogno di aria primaria - norma ANSI/ASHRAE n N persone max Tot. m 3 /h Superficie m 2 Fabbisogno x persona m 3 /h Fabbisogno x superficie m 3 /h m 2 Tot. m 3 /h Portata necessaria m 3 /h Portata Immessa m 3 /h

137 Produzione di mortadelle : forni di cottura

138 Produzione di mortadelle : forni di cottura Swreq DLE PHS ta UR tg twnv va met clo WBGT N.A. all. N.A. per. A. all. A. per N.A. A Rilievo 009 Corridoio zona arrivo mortadelle Rilievo 010 Interno forno durante il carico delle mortadelle da cuocere Rilievo 011 forno pieno, fase di scarico al termine della cottura Rilievo 011 forno pieno, fase di scarico al termine della cottura WBGT lavoro continuativo pausa pari al 25 % pausa pari al 50 % pausa pari al 75 % SWreq Eccessivo aumento della temperatura corporea Eccessiva pedita di acqua

139 Cucina mensa ospedale

140 Cucina mensa ospedale Swreq DLE PHS ta UR tg twnv va met clo WBGT N.A. all. N.A. per. A. all. A. per N.A. A Rilievo 012 cucina in prossimità delle piastre di cottura Rilievo 012 cucina in prossimità delle piastre di cottura Rilievo 013 Corridoio di passaggio fra cucina e sala Rilievo 014 Sala lavavaggio piatti WBGT lavoro continuativo pausa pari al 25 % pausa pari al 50 % pausa pari al 75 % SWreq Eccessivo aumento della temperatura corporea Eccessiva pedita di acqua

141 Cantiere TAV

142 Pavimentazione stradale

143 Cantiere TAV Pavimentazione stradale Swreq DLE PHS ta UR tg twnv va met clo WBGT N.A. all. N.A. per. A. all. A. per N.A. A Rilievo 015 postazione di lavoro sole diretto trave Rilievo 015 postazione di lavoro sole diretto trave Rilievo 015 postazione di lavoro sole diretto trave Rilievo 016 anteriormente alla macchina rilievo 017 al passaggio della macchina WBGT lavoro continuativo pausa pari al 25 % pausa pari al 50 % pausa pari al 75 % SWreq Eccessivo aumento della temperatura corporea Eccessiva pedita di acqua

144 Colatura lega di alluminio

145 Forni fusori per lega d alluminio

146 Fonderia di alluminio Swreq DLE PHS ta UR tg twnv va met clo WBGT N.A. all. N.A. per. A. all. A. per N.A. A Rilievo 02 Deposito alluminio Rilievo 03 Corridoio passaggio su muletti Rilievo 04/1 colatura chimica Rilievo 004/2 colatura chimica Rilievo 005 colatura manuale Rilievo 06 forni fusori WBGT lavoro continuativo pausa pari al 25 % pausa pari al 50 % pausa pari al 75 % SWreq Eccessivo aumento della temperatura corporea Eccessiva pedita di acqua

147 Cottura ceramiche artistiche

148 Zona rulli cottura pavimenti

149 Zona rulli cottura pavimenti

150 Cottura ceramiche pavimenti Swreq DLE PHS ta UR tg twnv va met clo WBGT N.A. all. N.A. per. A. all. A. per N.A. A Rilievo 007 Forno di cottura zona di carico protetto dal muro Rilievo 008 lato forno con smerigliatrice Rilievo 018 forno zona carico Rilievo 019 forno zona carico Rilievo 020 centro forno sostituzione dei rulli Rilievo 021 forno zona scarico Rilievo 022 zona presse gres Rilievo024 zona presse Rilievo 025 zona presse Rilievo 026 carico forno Rilievo 027 forno zona carico Rilievo 028 forno rulli fra due forni vicini 3 mt. circa Rilievo 029 Forno zona scarico Rilievo 030 smalteria WBGT lavoro continuativo pausa pari al 25 % pausa pari al 50 % pausa pari al 75 % SWreq Eccessivo aumento della temperatura corporea Eccessiva pedita di acqua

151 Rilievo N ta UR tg Va met IREQ min IREQn eu vel suppl WCI tch Cella Cella Cella Cella Catena Fast Food Prodotti congelati

152 Confronto con il vestiario utilizzato Rilievo N ta UR tg Va met IREQ min IREQn eu vel suppl WCI tch Cella Insulation Required, IREQ 6.6 to 6.9 clo REQUIRED basic clothing insulation (ISO 9920), Icl 7.1 to 7.5 Duration limited exposure, DLE 0.6 hours

153 DATI VALIDI PER AF21 e AF22 COMBINATI: Norma : EN342, Protezione contro il freddo - 0,493 (m2 K/W) (B),3,1 permeabilità all aria : 3 resist. evaporativa : 1 RESISTENZA ALLE TEMPERATURE (accoppiamento giacca + pantalone) per tipo di attività: molto leggera leggera moderata C - 16 C - 43 C resistenza per 8 ore C - 47 C - 62 C resistenza per 1 ora

154 Rilievo N ta UR tg Va met IREQ min IREQn eu vel suppl WCI tch ribalta prodotti freschi prodotti freschi prodotti freschi Catena Fast Food Prodotti freschi

155 Rilievo N ta UR tg Va met IREQ min IREQne u vel suppl WCI tch Cella cella Catena Fast Food Conservazione panini

156 Come misurare: Campi di misura e prestazioni metrologiche degli strumenti (UNI EN ISO 7726) Classe C (benessere) Grandezza Simbolo Campo di misura Precisione Temperatura dell aria t a 10 C 40 C Richiesta 0,5 C Desiderabile 0,2 C Per t r -t a =10 C Temperatura media radiante t r 10 C 40 C Richiesta 2 C Desiderabile 0,2 C Quando non possono essere raggiunti indicare il valore effettivo della precisione Temperatura piana radiante t pr 0 C 50 C Richiesta 0,5 C Desiderabile 0,2 C Per t pr -t a <10 C Velocità dell aria v a 0,05 m/s 1 m/s Richiesta (0,05+0,05 v a ) m/s Desiderabile (0,02+0,07 v a ) m/s Per direzione del flusso interna ad un angolo solido pari a 3 sr Umidità assoluta espressa come pressione parziale del vapore d acqua p a 0,5kPa 3kPa 0,15 kpa Per t r -t a di almeno 10 C Temperatura superficiale t s 0 C 50 C Richiesta 1 C Desiderabile 0,5 C Radiazione direzionale r d W/m 2 5 W/m 2

157 Come misurare: Campi di misura e prestazioni metrologiche degli strumenti (UNI EN ISO 7726) Classe S (stress termico) Grandezza Simbolo Campo di misura Precisione Temperatura dell aria t a -40 C +120 C Richiesta -40 C 0 C (0,5+0,01 t a ) C >0 C 50 C 0,5 C >50 C 120 C [0,5+0,04 (t a -50)] C Desiderabile: Precisione richiesta/2 Per t r -t a =20 C Temperatura media radiante t r -40 C +150 C Richiesta -40 C 0 C (5+0,02 t r ) C >0 C 50 C 5 C >50 C 150 C [5+0,08 (t r -50)] C Desiderabile: -40 C 0 C (0,5+0,01 t r ) C >0 C 50 C 5 C >50 C 150 C [0,5+0,04 (t r -50)] C Temperatura piana radiante t pr 0 C 200 C Richiesta -60 C 0 C (1+0,1 t pr ) C >0 C 50 C 1 C >50 C 200 C [1+0,1 (t pr -50)] C Desiderabile: Precisione richiesta/2 Per t pr -t a < 20 C Velocità dell aria v a 0,2 m/s 20 m/s Richiesta (0,1+0,05 v a ) m/s Desiderabile (0,05+0,05 v a ) m/s Per direzione del flusso interna ad un angolo solido pari a 3 sr Umidità assoluta espressa come pressione parziale del vapore d acqua p a 0,5 kpa 6 kpa 0,15 kpa Per t r -t a di almeno 20 C Temperatura superficiale t s -40 C +120 C Richiesta < -10 C [1+0,05(-t s -10)] -10 C 50 C 1 C >50 C [1+0,05(t s -50)] Desiderabile: Precisione richiesta/2 Radiazione direzionale r d W/m W/m W/m 2 5 W/m 2 10 W/m 2 15 W/m 2

158 Cause di Incertezza nella misura Misurando Strumento di Misura -Modello - Interaz. Sensore/misurando -Uniformità - Stabilità - errore sulla caratteristica -errori intrinseci (deriva, risoluzione, isteresi, ripetibilità) - errori dinamici Ambiente - grandezze di influenza (temperatura, umidità, velocità) Utilizzatore - distorsione utilizzatore umano (parall, interp.)/ automatico (conversione A/D, trasmissione di un segnale)

159 Influenza incertezze misura dell IREQ in ambienti severi freddi (classe S stress termico) t a [ C] t r [ C] p a [kpa] v a [m/s] M [met] IREQ [clo] Errore IREQ Errore t a =0.5 C Errore t r =5 C Errore p a =0.15kPa Errore v a =0.15m/s Errore M=10%

160 Influenza incertezze misura del PHS in ambienti severi caldi (classe S stress termico) t a [ C] t r [ C] p a [kpa] v a [m/s] I cl [clo] M [met] t re [ C] PHS D max [g] t re [ C] Errore PHS D max [g] Errore t a =0.5 C Errore t r =5 C Errore p a =0.15kPa Errore v a =0.15m/s Errore M=10% Errore I cl =10%

161 Conclusioni Dal lavoro condotto emergono le seguenti considerazioni: a) il modello di calcolo implementato è stato efficacemente utilizzato per la valutazione degli indici b) l analisi delle incertezza degli strumenti di misura condotta ha mostrato che : - le tolleranze strumentali fissate dalle norme non sono completamente significative ai fini della determinazione dell incertezza di misura - le prestazioni degli strumenti di misura commercialmente disponibili sono generalmente idonee a rispondere alle specifiche della revisione alla ISO 7726 ed è quindi auspicabile l utilizzo di sensori in classe di precisione desiderabile e non richiesta c) i metodi per la stima del benessere e dello stress (effettuata mediante la variazione degli indici rispetto ai parametri indipendenti t a, t r, v a, p a, M, I cl ) ha mostrato inoltre, che: l influenza delle specifiche metrologiche sulla stima dell indice di comfort PMV risulta particolarmente critica ai fini della determinazione delle classi di comfort ai sensi della nuova 7730, specialmente per la temperatura media radiante t r. l influenza delle specifiche metrologiche sulla stima dell indice di stress PHS risulta particolarmente critica solo per la misura del water loss soprattutto per la temperatura media radiante tr. l influenza delle specifiche metrologiche sulla stima dell indice di stress IREQ risulta particolarmente critica solo per il metabolismo M.

162 LA MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE

163 Temperatura media radiante t r La temperatura media radiante è definita come [UNI EN ISO 13731] la temperatura uniforme di una cavità nera fittizia nella quale un soggetto scambierebbe la stessa quantità di energia termica radiante che scambia nell ambiente reale non uniforme e si indica con il simbolo t r.

164 Obiettivi Definizione del problema La misura della temperatura media radiante può essere effettuata con molteplici metodologie (UNI EN ISO 7726, 2002). La strumentazione di misura utilizzabile è in continua evoluzione ed offre interessanti possibilità di impiegare in campo metodologie di misura sino ad oggi utilizzate quasi esclusivamente in laboratorio. Obiettivi Disamina critica delle metodologie classiche di misura Esame comparativo delle prestazioni metrologiche delle diverse metodologie associate alla strumentazione di misura attualmente disponibile sul mercato Casi notevoli di misura della temperatura media radiante in ambienti moderati

165 Cosa misurare: le grandezze fisiche Grandezze fisiche (fondamentali) Temperatura dell aria Temperatura media radiante Umidità dell aria Velocità dell aria Grandezze fisiche (derivate) Temperatura di bulbo umido a ventilazione naturale Temperatura di globo Temperatura di globo di bulbo umido Temperatura di globo umido

166 Campi di misura e prestazioni metrologiche degli strumenti (UNI EN ISO 7726) Classe C (benessere) Grandezza Simbolo Campo di misura Precisione Temperatura dell aria t a 10 C 40 C Richiesta 0,5 C Desiderabile 0,2 C Per t r -t a =10 C Temperatura media radiante t r 10 C 40 C Richiesta 2 C Desiderabile 0,2 C Quando non possono essere raggiunti indicare il valore effettivo della precisione Temperatura piana radiante t pr 0 C 50 C Richiesta 0,5 C Desiderabile 0,2 C Per t pr -t a <10 C Velocità dell aria v a 0,05 m/s 1 m/s Richiesta (0,05+0,05 v a ) m/s Desiderabile (0,02+0,07 v a ) m/s Per direzione del flusso interna ad un angolo solido pari a 3 sr Umidità assoluta espressa come pressione parziale del vapore d acqua p a 0,5kPa 3kPa 0,15 kpa Per t r -t a di almeno 10 C Temperatura superficiale t s 0 C 50 C Richiesta 1 C Desiderabile 0,5 C Radiazione direzionale r d W/m 2 5 W/m 2

167 Campi di misura e prestazioni metrologiche degli strumenti (UNI EN ISO 7726) Classe S (stress termico) Grandezza Simbolo Campo di misura Precisione Temperatura dell aria t a -40 C +120 C Richiesta -40 C 0 C (0,5+0,01 t a ) C >0 C 50 C 0,5 C >50 C 120 C [0,5+0,04 (t a -50)] C Desiderabile: Precisione richiesta/2 Per t r -t a =20 C Temperatura media radiante t r -40 C +150 C Richiesta -40 C 0 C (5+0,02 t r ) C >0 C 50 C 5 C >50 C 150 C [5+0,08 (t r -50)] C Desiderabile: -40 C 0 C (0,5+0,01 t r ) C >0 C 50 C 5 C >50 C 150 C [0,5+0,04 (t r -50)] C Temperatura piana radiante t pr 0 C 200 C Richiesta -60 C 0 C (1+0,1 t pr ) C >0 C 50 C 1 C >50 C 200 C [1+0,1 (t pr -50)] C Desiderabile: Precisione richiesta/2 Per t pr -t a < 20 C Velocità dell aria v a 0,2 m/s 20 m/s Richiesta (0,1+0,05 v a ) m/s Desiderabile (0,05+0,05 v a ) m/s Per direzione del flusso interna ad un angolo solido pari a 3 sr Umidità assoluta espressa come pressione parziale del vapore d acqua p a 0,5 kpa 6 kpa 0,15 kpa Per t r -t a di almeno 20 C Temperatura superficiale t s -40 C +120 C Richiesta < -10 C [1+0,05(-t s -10)] -10 C 50 C 1 C >50 C [1+0,05(t s -50)] Desiderabile: Precisione richiesta/2 Radiazione direzionale r d W/m W/m W/m 2 5 W/m 2 10 W/m 2 15 W/m 2

168 Cause di incertezza

169 Quando e Dove misurare: Criteri Stabilità ed Uniformità Prospetto 4 - Criteri per un ambiente omogeneo ed a regime permanente (ISO 7726:1998) Grandezze Classe C (comfort) Fattore X Classe S (stress termico) Fattore X Temperatura dell'aria 3 4 Temperatura media radiante 2 2 Asimmetria della temperatura media radiante 2 3 Velocità dell'aria media 2 3 Pressione di vapore 2 3 Prospetto 5 - Coefficienti d'altezza per le grandezze fisiche di un ambiente (ISO 7726:1998) Posizione dei sensori Coefficienti di peso delle diverse misure per il calcolo dei valori medi Ambiente omogeneo Ambiente eterogeneo Classe C Classe S Classe C Classe S Altezze raccomandate (puramente indicative) Seduto In piedi Livello testa 1 1 1,1m 1,7m Livello addome ,6m 1,1m Livello caviglia 1 1 0,1m 0,1m

170 1.La temperatura media radiante e la sua misura: le metodologie di misura Metodo di misura Vantaggi Svantaggi Globotermometro - semplicità del metodo dovuta a: - strumentazione compatta - rilevanti incertezze di misura imputabili a: - stima dei coefficienti di scambio h generalmente approssimativa h - semplicità di calcolo - differenza di forma tra il soggetto e la sfera, che comporta la sovrastima dei 4 cg Tr 4 Tg Tg Ta - stima diretta del carico termico radiante cui è carichi termici radianti provenienti dalle superfici orizzontali dell ambiente h rg soggetto l individuo - emissività della vernice nera del globo non sempre rappresentativa di quella - basso costo - standardizzazione degli abiti (specie nel caso di esposizione diretta alla radiazione solare) - misura puntuale (poco adeguata per ambiente eterogeneo) - elevato tempo di risposta (circa min) che non consente di seguire in modo Metodo delle due sfere (sferica o ellissoidale) T r 4 T P P ( ) 4 p b s b p Metodo della sonda termostatata alla temperatura dell aria (sferica o ellissoidale) T r 4 P T 4 s s s appropriato transitori termici; - compensazione del carico convettivo - incertezze di misura imputabili a: - differenze di forma tra soggetto e sfera - differente posizione spaziale delle sfere - emissività della vernice nera; - emissività della sfera riflettente (che può aumentare nel tempo) - complessità del circuito di termostatazione delle sfere - misura puntuale - scarsa diffusione - elevato tempo di risposta; - compensazione del carico convettivo - incertezze di misura imputabili a: - differenze di forma tra soggetto e sensore - emissività del sensore - complessità del circuito di termostatazione della sonda (specie per tr > ta) - misura puntuale - scarsa diffusione Metodo di calcolo mediante fattori di vista e termometri a contatto T T F T F T F... T F r 1 p1 2 p 2 3 p 3 N p N - buona accuratezza dovuta a: - misura di temperatura a contatto - determinazione dei contributi radiativi delle diverse superfici alla temperatura media radiante - versatilità del metodo per la possibilità di: - misurare transitori - stimare l intero campo radiante all interno dell ambiente - stimare condizioni di asimmetria - complessità del metodo dovuta a: - stima dell emissività delle superfici - complessità della misura a contatto - necessità di misurare la temperatura di tutte le superfici dell'ambiente - complessità della strumentazione necessaria - necessità di utilizzare radiometri per la misura della radiazione solare in presenza di superfici trasparenti - difficoltà nel calcolare fattori di vista, specie in geometrie spaziali complesse - difficoltà nella misurazione della temperatura superficiale per contatto

171 1.La temperatura media radiante e la sua misura: le metodologie di misura Metodo di misura Vantaggi Svantaggi - ottima accuratezza dovuta a: - possibilità di effettuare molteplici misure di temperature superficiali (o anche termogrammi) - determinazione dei contributi radianti delle diverse superfici alla temperatura media radiante - versatilità del metodo per la possibilità di: - misurare transitori - stimare l intero campo radiante nell ambiente - stimare condizioni di asimmetria Metodo di calcolo dei fattori di vista mediante termometri a distanza/termografi T T F T F T F... T F r 1 p1 2 p 2 3 p 3 N p N Metodo della misura del flusso radiante efficace T T 1 2, E r b eff - indipendenza dall emissività - versatilità del metodo per la possibilità di misurare transitori - complessità del metodo dovuta a: - complessità della strumentazione necessaria a misurare le temperature delle superfici opache nonché la necessità di utilizzare radiometri per la misura della radiazione solare in presenza di superfici trasparenti - difficoltà nel calcolare fattori di vista specie in geometrie spaziali complesse - complessità della misura del flusso radiante (in tutte e tre le direzioni) - scarsa diffusione - misura puntuale Metodo di calcolo mediante radiometro netto: Tpr i Ap i i 1 6 Tr A p i i 1 6 dove 4 P 4 i T pr i 0,95T n Metodo di calcolo mediante due dischi: Tp i Ap i i 1 6 Tr A p i i 1 6 dove P 4 p Pb Tpr 4 Ts ( ) Metodo di calcolo mediante disco termostatato alla temperatura dell aria: Tp i Ap i i 1 6 Tr A p i i 1 6 dove P Tpr T b 4 s 4 s s p - buona accuratezza dovuta alla determinazione di tutti i contributi radianti nelle tre direzioni cartesiane dello spazio - versatilità del metodo per la possibilità di: - misurare transitori - stimare l intero campo radiante all interno dell ambiente - stimare condizioni di asimmetria - compensazione del carico convettivo - versatilità del metodo per la possibilità di stimare condizioni di asimmetria - compensazione del carico convettivo - versatilità del metodo per la possibilità di stimare condizioni di asimmetria - necessità di ripetere le misure nelle tre direzioni - misura puntuale - incertezze di misura imputabili a: - differente posizione spaziale dei dischi - emissività della vernice nera; - emissività del disco lucido può aumentare nel tempo - complessità del circuito di termostatazione dei dischi - misura puntuale - scarsa diffusione - elevato tempo di risposta; - incertezze di misura imputabili a: - differente posizione spaziale dei dischi - emissività della vernice nera; - complessità del circuito di termostatazione del disco - misura puntuale - scarsa diffusione - elevato tempo di risposta;

172 1.1. La temperatura media radiante mediante globotermometro q c q r Vantaggi più diffuso meno costoso Svantaggi elevato tempo di risposta (che comporta problemi qualora si debbano effettuare numerose misure sovrastima, a causa della sua forma perfettamente sferica, i contributi radianti dovuti alle superfici orizzontali (soffitto e pavimento) non permette di calcolare l'asimmetria della temperatura radiante, parametro indispensabile nella valutazione del comfort termoigrometrico.

173 1.2. La temperatura media radiante mediante termometro a contatto Vantaggi poco costoso permette la valutazione dell'asimmetria della temperatura radiante Svantaggi se non utilizzati con grande cura e attenzione, possono fornire valori inattendibili della grandezza misurata a causa essenzialmente delle resistenze di contatto.

174 1.3. La temperatura media radiante mediante termometro a radiazione Vantaggi permette la valutazione dell'asimmetria della temperatura radiante Svantaggi richiede la conoscenza dell'emissività della superficie di cui si vuole misurare la temperatura.

175 1.4. La temperatura media radiante mediante radiometro netto Vantaggi misura diretta della temperatura piana radiante permette la valutazione dell'asimmetria della temperatura radiante Svantaggi costosi richiedono l'uso di più sensori o misure nelle tre direzioni per il calcolo della t pr

176 2.1 Metodo del globotermometro L equazione di bilancio dell energia sul globo restituisce la relazione: h T T T T 4 cg r 4 g g a hrg La temperatura di globo è un ottima approssimazione della temperatura operativa: q c h t h t t A t (1 A) t c a r o a r hc hr Per contro la misura di globo presenta le seguenti problematiche di misura: un unico punto non è rappresentativa di tutto il campo radiativo relativo il tempo di risposta elevato (circa min) la differenza di forma tra un individuo e una sfera esposizione a radiazioni di piccola lunghezza d onda (i.e. il sole) non approssima l emiss. effettiva q r

177 2.2 Metodo dei fattori di vista Nel caso in cui le differenze di temperatura tra le superfici dell ambiente sono relativamente piccole, l equazione di misura può essere espressa: T T F T F T F... T F r 1 p 1 2 p 2 3 p 3 N p N Il metodo dei fattori di vista presenta rispetto agli altri metodi: una migliore accuratezza nella determinazione dei contributi delle diverse pareti alla temperatura media radiante la possibilità di stimare anche condizioni di asimmetria la difficoltà di calcolare i fattori di vista (specie in geometrie spaziali complesse) la difficoltà di misurare la temperatura media superficiale (specie per contatto o per oggetti in movimento)

178 2.3 Metodo della temperatura piana radiante La temperatura media radiante può allora essere valutata misurando la temperatura piana radiante T pr-i nelle sei direzioni dello spazio ed i fattori di area proiettata A p-i per una persona nelle stesse sei direzioni dello spazio: T r T i 1 6 p i i 1 6 A A p i p i Fattori di area proiettata per una persona seduta o in piedi, secondo gli assi di una terna cartesiana con l'origine nel soggetto, l'asse z verticale e con l'asse x orizzontale e perpendicolare al piano frontale Posizione Fattore di area proiettata lungo l'asse X Y Z In piedi 0,35 0,23 0,08 Seduto 0,3 0,22 0,18

179 Globotermometro L utilità del globotermometro è sentita soprattutto in ambienti moderati ed omogenei vista la semplicità di utilizzo dello stesso mentre non è consigliabile il suo utilizzo in presenza di ambienti caratterizzati da radiazione eterogenea in quanto la misura di una temperatura media radiante in un unico punto non è rappresentativa di tutto il campo radiativo relativo al soggetto.

180 Globotermometro Sarebbe quindi necessario disporre di diversi globotermometri per effettuare le misure in corrispondenza dei vari livelli segnalati nella norma (testa, addome, caviglie) attribuendo ad ognuno un coefficiente di peso dato nel prospetto IV della UNI EN

181 Globotermometro Un altro aspetto negativo dell uso di un globotermometro è legato all elevato tempo di risposta di circa min che in ambienti caratterizzati da repentini cambi di temperatura non consente di seguire la variazione di temperatura dell ambiente in modo appropriato. Inoltre l uso del globotermometro per la stima della temperatura media radiante comporta un approssimazione dovuta alla differenza di forma tra un individuo e una sfera. In particolare, la radiazione proveniente dal soffitto o dal pavimento sarà sovrastimata dal globo rispetto a quella ricevuta da una persona.

182 Misure per contatto (fattori di vista) La temperatura media radiante può essere calcolata conoscendo: la temperatura superficiale delle pareti circostanti; il fattore di vista tra la persona e le superfici circostanti, una funzione della forma, della grandezza e delle posizioni relative, rispetto alla persona, della superficie.

183 Misure per contatto (fattori di vista) Poiché la maggior parte dei materiali da costruzione hanno un emittenza ( ) elevata, è possibile trascurare la riflessione cioè presumere che tutte le superfici dell ambiente siano nere. Si utilizza quindi la seguente equazione: T T F T F T F T F r 1 p 1 2 p 2 3 p 3 N p N dove: K T r è la temperatura media radiante, in K T N è la temperatura superficiale della superficie N, in F p-n è il fattore di vista tra una persona e la superficie N.

184 Misure per contatto (fattori di vista) Poiché la somma dei fattori di vista vale uno, la quarta potenza della temperatura media radiante può essere considerata uguale al valore medio delle temperature della superficie circostante, elevate alla quarta potenza, pesate con i valori dei rispettivi fattori di vista.

185 Misure per contatto (fattori di vista) I fattori di vista (Fp-N) possono essere valutati in base alle figure seguenti (grafici norma) nel caso di superfici rettangolari

186 Misure per contatto (fattori di vista) Se le differenze di temperatura, tra le superfici dell ambiente chiuso, sono relativamente piccole, l equazione precedente può essere semplificata con la forma lineare: T T F T F T F T F r 1 p 1 2 p 2 3 p 3 N p N cioè la temperatura media radiante è calcolata come il valore medio delle temperature circostanti pesate con i valori dei rispettivi fattori di vista.

187 Misure per contatto (fattori di vista) Il vantaggio di questo tipo di misura è legato alla maggiore accuratezza nella determinazione dei contributi delle diverse pareti alla temperatura media radiante soprattutto in condizioni di asimmetria, viceversa lo svantaggio sicuramente è dato dalla difficoltà di scegliere i punti di misura ed il numero degli stessi da analizzare.

188 Radiometro netto E costituito da un piccolo elemento piano nero, con un misuratore del flusso di energia termica (termopila) tra le due facce dell elemento. Il flusso netto di energia termica tra le due facce è uguale alla differenza tra gli scambi termici radiativi delle due facce dell elemento. Gli elementi di misura sono ricoperti da una sottile sfera di polietilene per diminuire l effetto della velocità dell aria e conseguentemente, dello scambio convettivo.

189 Radiometro netto La radiazione netta è data dalla seguente equazione: 4 4 P T T dove: P è la radiazione netta misurata, in W/m 2 ; T pr1 è la temperatura piana radiante, la faccia 1, in K; T pr2 è la temperatura piana radiante, la faccia 2, in K pr1 pr2

190 Radiometro netto L asimmetria della temperatura radiante è uguale a: Tpr Tpr1 Tpr2 dove T pr è l asimmetria della temperatura radiante, in K. Con un radiometro netto questa grandezza non è misurata direttamente, ma deve essere calcolata.

191 Radiometro netto può essere scritta come: P T T 4 4 pr1 pr2 P 4 T T T Nell espressione del coefficiente lineare di trasmissione radiativa (4 T 3 n), T n =0,5 (T pr1 + T pr2 ) o, con minore approssimazione, è uguale alla temperatura del radiometro netto n pr1 pr2

192 Radiometro netto Allora l asimmetria della temperatura radiante è uguale a: P T pr 3 4 Tn [K]

193 Misure a distanza (termocamera) Con il termine termografia si intende la visualizzazione bidimensionale del campo di temperatura su una superficie. Il metodo termografico si basa sul principio per cui ogni materiale emette con continuità energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche a K. Attraverso l utilizzo di una termocamera (telecamera sensibile alla radiazione infrarosso) si può trasformare tale energia (proveniente dall oggetto indagato), in segnali elettrici che vengono successivamente convertiti in immagini secondo tonalità di bianco e nero o secondo una scala colorimetrica.

194 Misure a distanza (termocamera) La termocamera è in grado di rilevare le temperature dei corpi attraverso la misurazione dell intensità di radiazione infrarossa emessa dal corpo in esame, fornendo immagini (dati qualitativi) e misure di temperature (dati quantitativi). I dati acquisiti su un termogramma, possono successivamente essere analizzati attraverso un software dedicato, al fine di estrarre, dall interpretazione delle mappe della distribuzione delle temperature dell oggetto rilevato, le informazioni necessarie.

195 Misure a distanza (termocamera) Il vantaggio dell utilizzo della termocamera rispetto alle misure per contatto è da attribuire alla discretizzazione praticamente infinita con la possibilità di individuare le sorgenti che influenzano le condizioni di asimmetria consentendo in modo più efficace la valutazione del discomfort.