Gruppo di lavoro. Prof. Arch. Giuliano Dall O (Coordinatore) Ing. Elisa Bruni Arch. Ph.D. Annalisa Galante Arch. Angela Panza

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2 Gruppo di lavoro Prof. Arch. Giuliano Dall O (Coordinatore) Ing. Elisa Bruni Arch. Ph.D. Annalisa Galante Arch. Angela Panza

3 INDICE 1 LE INTERAZIONI TERMICHE TRA UOMO E AMBIENTE La variazione dell energia interna S L attività metabolica M La potenza meccanica scambiata con l esterno Il flusso termico scambiato per evaporazione Il flusso termico e l influenza dell abbigliamento METODI PER LA VALUTAZIONE DEL BENESSERE La temperatura operante Il diagramma ASHRAE del benessere CRITERI DI VALUTAZIONE... 11

4 1 LE INTERAZIONI TERMICHE TRA UOMO E AMBIENTE 2 Le interazioni tra l uomo e l ambiente sono dovute a meccanismi di scambio di calore e di massa abbastanza complessi ed il benessere termico è definibile con un certo grado di approssimazione in quanto le reazioni di ciascun individuo ad una determinata sollecitazione esterna possono essere differenti. L obiettivo è quello di definire dei parametri climatici interni che siano in grado di soddisfare il maggior numero di persone. L ASHRAE Standard (Thermal environmental conditions for human occupancy) definisce il benessere termico come atteggiamento mentale di soddisfazione per l ambiente dal punto di vista termico. I fattori che interagiscono sono molteplici e legati sia alle condizioni dell ambiente che a quelle dell individuo. I più importanti sono i seguenti: temperatura, umidità e velocità dell aria; temperatura delle pareti che delimitano l ambiente interno; abbigliamento dell individuo; attività svolta. L uomo, come tutti gli animali a sangue caldo, ha la capacità di mantenere la temperatura interna del corpo pressoché costante, attraverso un meccanismo di termoregolazione che garantisce l equilibrio tra l energia generata dal metabolismo e quella dissipata. Il sistema di termoregolazione, che ha sede nell ipotalamo, quando si manifesta una sensazione di caldo aumenta la temperatura superficiale corporea con un maggior afflusso superficiale di sangue (vasodilatazione) e la sudorazione; quando si manifesta una sensazione di freddo, diminuisce invece la temperatura superficiale (vasocostrizione) fino a far comparire i brividi che sono una involontaria attività muscolare che richiede una supplementare attività metabolica. Nel primo caso il flusso di calore corpo/ambiente aumenta, nel secondo diminuisce. La sensazione di benessere degli individui è una diretta conseguenza delle sollecitazioni alle quali viene sottoposto il meccanismo di termoregolazione. I complessi fenomeni di scambio tra il corpo umano e l ambiente che lo circonda possono essere riassunti da un equazione del tipo: S = M ( ± P ± E ± R ± C) (1) dove: S M P E R C è la variazione dell energia interna del corpo nell unità di tempo è la potenza termica dovuta all attività metabolica è la potenza meccanica scambiata dal corpo con l ambiente esterno è la potenza termica associata alla perdita d acqua per evaporazione dal corpo è il flusso termico scambiato per irraggiamento tra corpo e ambiente è il flusso termico scambiato per convezione tra corpo e ambiente C, R ed E sono quantità assunte positive se cedute dal corpo all ambiente, P è assunto positivo se il lavoro è fatto dal corpo, negativo se subito; M è sempre positivo.

5 1.1 La variazione dell energia interna S 3 Poiché il meccanismo di termoregolazione del corpo umano tende a mantenere costante la temperatura corporea, si può assumere che, per una esposizione sufficientemente lunga ad un ambiente non troppo caldo e non troppo freddo, con attività svolta costante, non vi sia apprezzabile variazione di energia interna e, pertanto, è lecito considerare S L attività metabolica M L entità del metabolismo è strettamente correlata allo stato di salute e al tipo di alimentazione. Viene definito basale il metabolismo corrispondente al fabbisogno calorico strettamente necessario per il mantenimento delle funzioni vitali in condizioni di riposo o di neutralità termica: con temperature ambientali di C per individui nudi e di C per individui vestiti non si ha variazione della temperatura corporea e neppure dell attività evotraspiratoria. In termini di nutrizione questo significa che l individuo dovrà, per mantenere l equilibrio ponderale, apportare con gli alimenti un numero di calorie uguale al metabolismo basale, che per un uomo adulto di media corporatura è pari a circa 1700 kcal/giorno. Attività M/A (W/m 2 ) M (*) (W) met η In riposo dormiente ,7 0 In riposo coricato ,8 0 In riposo seduto ,0 0 In riposo in piedi ,2 0 In cammino a 3,2 km/h ,0 0 In cammino a 8 km/h ,8 0 In salita 5% a 1,6 km/h ,4 0,07 In salita 25% a 1,6 km/h ,6 0,20 Lavoro di piccone e pala ,8 0,1 0,2 Pulizie di casa ,0 3,4 0 0,1 Scrivere a macchina ,1 0 Disegnare ,2 0 Ginnastica ,0 4,0 0 0,1 Danza ,4 4,4 0 Lotta ,7 0 0,1 (*) Riferita ad A=1,8 m 2 Tab. 1 Valori di metabolismo, e relativi livelli in met per diversi tipi di attività. Al crescere dell attività il valore del metabolismo aumenta a sua volta, passando, ad esempio, da 43 W/m 2 per l individuo dormiente a 64 W/m 2 per una dattilografa fino ad arrivare a 505 W/m 2 per i lottatori in combattimento.

6 Per semplificare i problemi pratici è stata introdotta un unità metabolica specifica, il met, definito come l energia trasformata per metabolismo per unità di tempo e di superficie corporea da un individuo di corporatura media (superficie corporea disperdente assunta pari a 1,8 m 2 ). Per un individuo seduto, in riposo, risulta che: 4 1 met = 58 W/m 2 In Tabella 1 sono riportati i valori di metabolismo, e relativi livelli in met, per diversi tipi di attività. 1.3 La potenza meccanica scambiata con l esterno Il termine P tiene conto del lavoro eseguito dall individuo sull ambiente esterno e non, quindi, dell intera sua attività. Camminare in piano, ad esempio, non comporta una produzione di lavoro nel senso fisico del termine e così, ad esempio, scrivere a macchina o disegnare. Quando un individuo solleva un peso, invece, compie un lavoro esterno non nullo e una parte dell energia di metabolismo viene trasformata in energia potenziale nel campo gravitazionale. Si può definire, quindi, un rendimento meccanico per le diverse attività esplicabili da un individuo: η = P/M Il termine P può assumere anche un valore negativo: si pensi ad esempio ad un individuo che cammina in discesa. Nell ultima colonna di Tabella 1 sono riportati i valori del rendimento η per alcune attività. 1.4 Il flusso termico scambiato per evaporazione Il termine E, flusso termico scambiato per evaporazione, è la somma di tre addendi. Il primo, che indichiamo con Ed in accordo con le annotazioni di Fanger, rappresenta la potenza termica dispersa per perspirazione, ossia per evaporazione insensibile dell acqua a livello cutaneo e respiratorio. L aggettivo insensibile in questo caso significa che prescinde dai sensi in quanto questo fenomeno, lento e continuo, avviene indipendentemente dal lavoro muscolare e dalla temperatura esterna e non è influenzabile da parte del sistema di regolazione del corpo umano. Il secondo, che indichiamo con Esw, tiene conto della potenza termica dispersa per traspirazione. La traspirazione costituisce uno dei dispositivi fondamentali della termoregolazione. Quando la temperatura della pelle supera i 36 C (normalmente le dita dei piedi sono a 27 C, braccia e gambe a 32 C, la fronte a C) le ghiandole sudoripare vengono stimolate ed iniziano a secernere sudore; l evaporazione consente di dissipare una consistente quantità di calore, mantenendo praticamente costante la temperatura della pelle.

7 Il terzo, infine, Ere, rappresenta la potenza termica ceduta all aria per evaporazione dalle mucose dell apparato respiratorio. I termini Esw ed Ere sono influenzati dal valore dell umidità dell aria nell ambiente, tanto più l umidità è elevata, tanto minore è il valore di Esw e di Ere. In condizioni normali di benessere, tutto il sudore secreto evapora, mentre nelle giornate umide e calde la pelle si ricopre di un velo di sudore che stenta ad evaporare, soprattutto se l aria circostante è ferma Il flusso termico e l influenza dell abbigliamento Il termine R individua il calore ceduto o assorbito per irraggiamento dal corpo attraverso gli abiti, così come il termine C individua quello scambiato per convenzione sempre attraverso gli abiti, ma anche per mezzo della respirazione. Il flusso R è determinato dalle temperature superficiali dei corpi che ci circondano (pareti, soffitto, pavimento, ecc.): se hanno valori superiori o inferiori a quelli delle superfici degli abiti o della pelle, accade che il calore assorbito o ceduto per irraggiamento dal nostro corpo modifica il bilancio energetico e quindi entrano in azione i sistemi di termoregolazione: quello già visto della sudorazione e l altro, anch esso di grande importanza, della attività vasomotoria. Il termine C, è invece influenzato dalle condizioni dell aria che ci circonda ed in particolare dalla temperatura e dalla velocità. Il flusso termico tra ambiente e superficie del corpo (R + C) è influenzato dal tipo di abbigliamento; per definire la resistenza termica globale tra la superficie della pelle e la superficie esterna degli abiti, viene utilizzato un parametro adimensionale (clo), dato dal rapporto tra la resistenza termica globale dell abito considerato (rcl) e una resistenza termica di riferimento pari a 0,155 m 2 K/W: rcl Icl = (2) 0,155 Per il corpo nudo Icl = 0 clo; i valori di rcl, e quindi di Icl, vengono ricavati sperimentalmente, per vari tipi di abbigliamento (Tabella 2). Gli studi sperimentali condotti da Fanger su un campione esteso di individui hanno dimostrato che la temperatura superficiale corporea e il flusso termico associato alla sudorazione, quando l individuo si trova in condizioni di benessere, possono essere correlati all attività metabolica specifica; l influenza di altre variabili, quali la temperatura media radiante e l abbigliamento, non è significativa. Le sperimentazioni hanno permesso a Fanger di elaborare una equazione, detta equazione del benessere, che si presta ad essere risolta rispetto a qualunque variabile si voglia determinare per garantire condizioni di benessere termico in un ambiente. Ad esempio, per un dato tipo di attività e un certo abbigliamento, è possibile valutare le diverse combinazioni di condizioni ambientali (temperatura dell aria, temperatura media radiante, velocità dell aria e umidità relativa) che corrispondono alle condizioni di benessere e tra queste scegliere, ove esista, la più opportuna.

8 Tipo di abbigliamento r cl (m 2 C/W) I cl (clo) f cl(*) Tipo di abbigliamento Nudo 0 0 1,0 Nudo Pantaloncini corti 0,016 0,1 1,0 Pantaloncini corti Tipica tenuta tropicale 0,047 0,3 1,05 Tipica tenuta tropicale Abbigliamento leggero estivo 0,078 0,5 1,1 Abbigliamento leggero estivo Tenuta da lavoro leggera 0,11 0,7 1,1 Tenuta da lavoro leggera Abbigliamento Abbigliamento invernale per 1,15 0,16 1,0 invernale per interni interni Tenuta tradizionale europea pesante per lavoro Abbigliamento in uso nei paesi a clima polare 0,23 1,5 1,2 0,46 0, ,4 (*) fcl = rapporto tra l area della superficie del corpo abbigliato e l area della superficie del corpo nudo Tenuta tradizionale europea pesante per lavoro Abbigliamento in uso nei paesi a clima polare 6 Tab. 2 Resistenza termica specifica per differenti tipi di abbigliamento.

9 2 METODI PER LA VALUTAZIONE DEL BENESSERE 7 Il metodo di Fanger consente di effettuare accurate valutazioni del benessere ambientale nelle più diverse situazioni. In molti casi, tuttavia, i campi di variazione di alcuni dei parametri che determinano il bilancio del corpo umano non possono assumere valori arbitrari; questi vincoli semplificano quindi il procedimento progettuale. 2.1 La temperatura operante Se la temperatura media radiante tmr non differisce molto dalla temperatura a bulbo secco dell aria, lo scambio radiativo R tra un individuo e l ambiente che lo circonda può essere linearizzato secondo l equazione: ( ) R = A f h t t (3) dove: Du cl r cl mr ADu superficie corporea (assunta pari a 1,8 m 2 ) fcl rapporto tra l area coperta e quella scoperta (corpo nudo) hr coefficiente di radiazione (W/m 2 K) tcl temperatura superficiale media del corpo abbigliato tmr temperatura radiante media delle pareti, definibile, con buona approssimazione, come la media pesata delle temperature superficiali interne Lo scambio termico sensibile (R + C) tra corpo e ambiente si può esprimere attraverso la seguente equazione: ( ) ( ) R + C = A f h t t + A f h t t (4) dove: Du cl r cl mr Du cl c cl a hc coefficiente di scambio per convezione (W/m 2 K) temperatura media dell aria ambiente ta Ponendo il coefficiente di adduzione h = hc + hr, la (4) diventa: ( ) R + C = A f h t t (5) Du cl cl o dove to, esprimibile dalla relazione: t o = h t r mr h r + h t + h c c a (6)

10 prende il nome di temperatura operante, che risulta pertanto la media tra la temperatura media radiante e la temperatura dell aria, ciascuna pesata con il rispettivo coefficiente di scambio termico. Nei casi d interesse per questa trattazione (bassa velocità dell aria, temperature medie radianti non molto elevate) risulta hc hr, per cui la (6) diventa: 8 t o = t mr + t 2 a (7) La temperatura operante definita dalla (7) è un parametro di notevole interesse pratico perché tiene conto di due variabili, la temperatura media radiante e la temperatura dell aria e può costituire un primo parametro di valutazione dell ambiente dal punto di vista del benessere, almeno per la stagione invernale. 2.2 Il diagramma ASHRAE del benessere Nel caso di edifici destinati ad abitazione e ad ufficio, la definizione dei parametri che consentono di configurare le condizioni di benessere diventa relativamente semplice sulla base delle seguenti considerazioni: l attività metabolica da prendere in considerazione è quella relativa al riposo (1 met) oppure a lavoro moderato (1,2 1,5 met); può essere assunto un tipo di abbigliamento standard come riferimento di prima approssimazione; la velocità dell aria può essere assunta 0,15 0,2 m/s in quanto dovuta al movimento delle persone, a fenomeni di convezione naturale e di immissione dell aria portata dalle bocchette dell impianto di condizionamento; la temperatura media radiante si può ritenere molto prossima alla temperatura dell aria, purché non sia previsto un impianto a pannelli radianti. Fissata l attività metabolica, la velocità dell aria e il tipo di abbigliamento, i parametri che possono variare sono la temperatura e l umidità; è possibile dunque tracciare su un diagramma psicrometrico il luogo di punti rappresentativi delle condizioni di benessere. Il diagramma del benessere proposto dall ASHRAE (Standard 55-92) è riportato in Figura 1; esso è basato su indagini statistiche ed è relativo ad attività sedentaria (1 1,2 met), a velocità dell aria inferiore a 0,17 m/s e ad un abbigliamento con valori compresi tra 0,5 e 0,7 clo. Viene definito come ambiente termicamente accettabile quello in cui almeno l 88% di uomini e donne nordamericani, normalmente vestiti e svolgenti attività sedentaria o quasi, si trovano in condizioni di benessere termico.

11 Linee a ET* costante Zona di benessere secondo ASHRAE Zona di benessere secondo KSU Comfort secondo Fanger Comfort secondo Givoni 9 Fig. 1 Diagramma psicrometrico con diversi criteri di valutazione del benessere Nel diagramma del benessere proposto dall ASHRAE è indicata la scala della cosiddetta nuova temperatura effettiva ET* che viene definita come la temperatura a bulbo secco di una cavità nera col 50% di umidità relativa in cui un individuo scambia una quantità di energia pari a quella nell ambiente considerato. Il campo di accettabilità è definito da temperature effettive ET* comprese tra 22 C e 25,5 C e da valori di pressione parziale del vapor d acqua compresi tra 4 e 14 mm Hg (che corrispondono, per le temperature considerate, a valori di umidità relativa nell intervallo 20 65%). Le linee a ET* costante sono state derivate analiticamente dall equazione di bilancio e sono luoghi di punti a ugual percentuale di superficie corporea interessata dal fenomeno

12 della traspirazione, corrispondenti anche a uguale sforzo fisiologico del meccanismo di termoregolazione. In Figura 1 è anche rappresentato il contorno della zona di benessere derivato da indagini simili, svolte presso la Kansas State University, USA, in condizioni leggermente diverse (1 met, abbigliamento con 0,4 0,6 clo). I valori di temperatura proposti dall ASHRAE e dalla KSU non sono in accordo, per la stagione invernale, con le abitudini e le normative italiane; gli studi nordamericani, infatti, considerano che per tutta la durata dell anno l abbigliamento di chi sta in ambienti climatizzati sia pressoché uguale e piuttosto leggero. Ancora in figura 4.9 sono riportate le linee che rappresentano l equazione di benessere secondo Fanger con 1 met, v = 0,1 0,15 m/s e tre tipi di abbigliamento. Nella stessa figura, infine, è riportata anche la delimitazione della zona di comfort proposta da Givoni nella sua carta bioclimatica. 10

13 3 CRITERI DI VALUTAZIONE 11 Il gradimento delle condizioni ambientali da parte di un campione di persone può essere espresso con il valore medio di una votazione espressa dal campione stesso e basata su una scala di sensazione termica ; l ASHRAE propone la seguente scala: + 3 = molto caldo + 2 = caldo + 1 = leggermente caldo 0 = confortevole - 1 = leggermente freddo - 2 = freddo - 3 = molto freddo Basandosi sulla scala di proposta dall ASHRAE, Fanger ha sviluppato una metodologia per la valutazione della sensazione termica indicata come PMV (Predicted Mean Vote). Secondo Fanger, la sensazione termica, ad un dato livello di attività, è funzione della sensazione termica del corpo definita come la differenza tra la produzione interna di calore per una data attività e la perdita di calore che avrebbe l individuo se mantenesse la temperatura della pelle e la traspirazione ai valori corrispondenti al benessere per l attività considerata. La relazione proposta da Fanger per il calcolo del PMV è la seguente: PMV = [ 0,303 exp( 0,036M ) + 0,028] L (8) dove L è il carico termico del corpo, definito come la differenza tra la produzione di calore interna e le perdite termiche effettive verso l ambiente esterno. 100 PPD (%) PMV Fig. 2 Percentuale di persone non soddisfatte (PPD) in funzione del voto medio previsto (PMV).

14 Può essere utile, a volte, conoscere a priori quale può essere l effetto sull utenza di alcune scelte progettuali o gestionali, di un edificio o di un impianto, rispetto ad altre. In questi casi può risultare più comodo, o di maggiore chiarezza, anziché ricorrere ad un voto, valutare direttamente la percentuale di persone che in una data situazione ambientale potrebbero esprimere, se richiesti, un apprezzamento negativo. Sulla base degli esperimenti già citati, Fanger ha ricavato la relazione tra PMV e PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) che definisce la percentuale di persone insoddisfatte. Dalla curva che visualizza la relazione che lega PMV a PPD, riportata in Figura 2, è interessante osservare come PPD non si annulli nemmeno quando PMV è uguale a 0 (massimo comfort) in accordo al fatto che condizioni in grado di soddisfare l equazione del benessere possono, statisticamente, non essere di gradimento per alcun gruppo di persone. 12