Richiami di Benessere termo-igrometrico e qualità dell aria

Transcript

1 Richiami di Benessere termo-igrometrico e qualità dell aria Prof. Filippo de Rossi 1/60

2 Il benessere è quella condizione mentale che esprime soddisfazione nel confronti dell ambiente termico ASRHAE (America Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers) Comfort in Ambienti Moderati: Indice della presentazione Generalità Gli indici di benessere Indici di sensazione (PMV-PPD) Indici di temperatura (temperatura operativa, effettiva TE e TE*) 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 Cenni al comfort adattativo Prof. Filippo de Rossi 2/60

3 Generalità: Il benessere termico è definito come stato psicofisico di soddisfazione nei confronti dell'ambiente termico Le cause di insoddisfazione e disagio possono derivare da: 1. Malessere per il caldo o per il freddo che prova il corpo nel suo complesso. 2. Fastidiosa sensazione di raffreddamento o riscaldamento di una particolare parte del corpo, a causa, ad esempio, di correnti d aria. 3. Accentuata differenza verticale di temperatura, in particolare tra testa e caviglie. 4. Pavimento troppo caldo o freddo. 5. Asimmetria troppo elevata della temperatura radiante. 6. Metabolismo energetico troppo elevato. 7. Abbigliamento non adeguato. Prof. Filippo de Rossi 3/60

4 Il benessere termo-igrometrico è solo un aspetto del, più generale, BENESSERE AMBIENTALE, che comprende: BENESSERE TERMICO BENESSERE IGROMETRICO BENESSERE OLFATTIVO / RESPIRATORIO BENESSERE VISIVO BENESSERE ACUSTICO QUALITA DELL ARIA INDOOR In questa presentazione, non ci occuperemo di benessere acustico e visivo, così brevemente descrivibili: Benessere visivo. Stato psico-fisico in cui l individuo può svolgere nel modo migliore i diversi compiti visivi che è chiamato ad assolvere (Visual Task) Benessere acustico. Stato psicofisica in cui un individuo, in presenza di un campo di pressione sonora (rumore), dichiara di trovarsi un una situazione di benessere, in relazione alla particolare attività che sta svolgendo. Prof. Filippo de Rossi 4/60

5 Si definiscono convenzionalmente tre tipi di ambienti termici: a) moderati b) severi caldi c) severi freddi AMBIENTI MODERATI Gli ambienti moderati sono quelli che richiedono un moderato intervento del sistema di termoregolazione umano. Sono caratterizzati da: condizioni ambientali omogenee con ridotta variabilità nel tempo, assenza di grandi scambi termici localizzati fra soggetto e ambiente, attività fisica modesta, sostanziale uniformità del vestiario indossato dai diversi operatori. Prof. Filippo de Rossi 5/60

6 AMBIENTI SEVERI CALDI Il sistema di termoregolazione dell organismo interviene notevolmente, attraverso i meccanismi di vasodilatazione e sudorazione, per evitare il surriscaldamento eccessivo del corpo. In particolare, sono caratterizzati da: condizioni ambientali non omogenee con sensibile variabilità nel tempo temperatura operativa elevati rispetto l attività svolta e il vestiario indossato disuguaglianza delle attività svolte e del vestiario indossato dai diversi operatori Prof. Filippo de Rossi 6/60

7 AMBIENTI SEVERI FREDDI Si definiscono ambienti (severi) freddi quegli ambienti che richiedono un notevole intervento del sistema di termoregolazione interno umano mediante la vasocostrizione e i brividi. Sono caratterizzati da: condizioni ambientali omogenee con una contenuta variabilità nel tempo valori di temperatura operativa bassi (<10 C) uniformità delle attività svolte e del vestiario indossato dai diversi operatori. Prof. Filippo de Rossi 7/60

8 I parametri che, influenzando gli scambi termici tra individuo e ambiente, determinano le condizioni di benessere, sono: 4 parametri ambientali: temperatura dell'aria ambiente, che influenza gli scambi termici convettivi; temperatura media radiante, che influenza gli scambi termici radiativi; velocità relativa dell'aria, che influenza gli scambio termici convettivi; umidità relativa dell'aria, che influenza lo scambio evaporativo del corpo. 2 parametri individuali dispendio metabolico M (correlato all attività svolta) resistenza termica conduttiva ed evaporativa del vestiario Il corpo umano può essere considerato come un sistema termodinamico sul quale è possibile fare un bilancio di energia. Prof. Filippo de Rossi 8/60

9 S = M totale (W) - E sk - R res - C - R - C k S = variazione di energia interna del corpo umano nell unità di tempo [W] M tot = flusso metabolico totale [W] W = potenza meccanica scambiata tra il corpo e l ambiente f (attività svolta) [W] E sk = potenza termica dispersa per evaporazione attraverso la pelle f (grado igrometrico dell aria, temperatura dell aria, temperatura della pelle, velocità relativa soggetto aria, abbigliamento, percentuale di pelle bagnata dal sudore) [W] R res = potenza termica dispersa nella respirazione costituita da una quota di calore latente e una quota di calore sensibile f (attività svolta, grado igrometrico dell aria, temperatura dell aria) [W] C = potenza termica scambiata per convezione f (temperatura della superficie esterna del corpo vestito, temperatura dell aria, velocità relativa soggetto-aria, coefficiente di abbigliamento) [W] R = potenza termica scambiata per irraggiamento f (temperatura della superficie esterna del corpo vestito, temperatura media radiante, coefficiente di abbigliamento) [W] C k = potenza termica scambiata per conduzione [W] Prof. Filippo de Rossi 9/60

10 Parliamo di condizioni di comfort quando i parametri ambientali e comportamentali, agendo sugli scambi energetici sensibili e latenti del corpo umano, annullano le sensazioni di caldo o freddo percepite dall occupante. In tale caso parliamo di NEUTRALITA TERMICA. In circostanze avverse, l uomo mette in atto i meccanismi di termoregolazione che, se estremi, in ogni caso non riescono a procurare benessere (eccessiva sudorazione o tremito). Come prima anticipato, e variabili principali che influenzano il benessere termico sono raggruppabili in 2 gruppi: PARAMETRI OGGETTIVI (dipendono dall ambiente) PARAMETRI SOGGETTIVI (dipendono dall uomo) Prof. Filippo de Rossi 10/60

11 PARAMETRI OGGETTIVI (dipendono dall ambiente) 1. Temperatura a bulbo secco dell aria (T ba, C) 2. Temperatura media radiante (Tr, C) 3. Umidità relativa dell aria (U.R, %) 4. Velocità media relativa dell aria (w, m/s) Prof. Filippo de Rossi 11/60

12 PARAMETRI SOGGETTIVI (dipendono dall uomo) 5. Resistenza termica dell abbigliamento (R dress, Clo o m 2 K/W) 6. Metabolismo energetico (M, W) Prof. Filippo de Rossi 12/60

13 La temperatura di bulbo secco (t ba ) e la temperatura di bulbo umido (t bb ) si possono misurare con uno psicrometro, in corrispondenza del bulbo secco ed umido dello stesso. Approfondiremo tale aspetto quando sarà introdotta l aria umida. umidità relativa = 100% T ba e T bb coincidono T bb T ba 29 Prof. Filippo de Rossi 13/60

14 La temperatura a bulbo secco (in inglese dry bulb temperature) è quella temperatura misurata da un comune termometro a bulbo. La misura di tale temperatura è assolutamente indipendente dall' umidità relativa dell'aria. La temperatura di bulbo umido (in inglese wet bulb temperature) è la temperatura a cui si porta l'acqua in condizioni di equilibrio di scambio convettivo con una massa d'aria in moto turbolento completamente sviluppato. Le due temperature possono essere misurato con lo PSICROMETRO, strumento costituito da due termometri affiancati, di cui uno è chiamato bulbo secco e misura la T ba dell'aria, mentre l'altro, avvolto in una garza di cotone imbevuta d'acqua, è chiamato bulbo umido e misura la T bb dell'aria (ovvero la temperatura di bulbo umido). lpiù in dettaglio, l'evaporazione dell'acqua sottrae energia all aria, abbassandone la temperatura in misura inversamente proporzionale all'umidità dell'aria. Prof. Filippo de Rossi 14/60

15 La temperatura media radiante può essere definita come la temperatura di un ambiente fittizio termicamente uniforme che scambierebbe con l uomo la stessa potenza termica radiante scambiata nell ambiente reale. Tale grandezza si misura in C. La T media-radiante può essere misurata attraverso il GLOBOTERMOMETRO. Tale strumento, spesso chiamato globo nero, è costituito da una sonda di temperatura sistemata all'interno di una sfera di rame, a pareti sottili, verniciata in nero opaco. La sfera cava costituisce, con buona approssimazione, un corpo nero quasi perfetto e riceverà, trascorso il tempo necessario, tutta l energia termica radiante proveniente dall'ambiente circostante. Il livello termico misurato dalla sonda interna è stima della temperatura media radiante delle superficie dell ambiente. Prof. Filippo de Rossi 15/60

16 Si definisce UMIDITA RELATIVA (o UR, oppure ancora Φ) il rapporto tra la quantità di vapore acqueo contenuto in una massa d'aria e la quantità massima di vapore acqueo che la stessa massa d'aria riesce a contenere nelle stesse condizioni di temperatura e pressione ancora in fase aeriforme ma in condizioni di saturazione. L'umidità relativa, cui sinonimo è GRADO IGROMETRICO, si misura in percentuale. Quando l umidità relativa è al 100%, ciò significa che il contenuto di umidità nell aria è il massimo compatibile con quello stato termodinamico, la qual cosa equivale a dire che altro vapore immesso in ambiente determinerà la condensazione di parte della massa d acqua, che quindi passerà in fase liquida. La quantità di vapore che può essere contenuta da una massa d'aria diminuisce al diminuire della temperatura (diventa nulla a circa -40 C). Diverse tecniche e principi fisici consentono le misure dei parametri igrometrici, differenziandosi rispetto al parametro misurato (umidità specifica, temperatura di rugiada, temperatura di bulbo umido). Esistono, pertanto, sensori igroscopici, a condensazione, elettromagnetici, psicrometrici. Prof. Filippo de Rossi 16/60

17 Alla velocità dell aria è imputata la sensazione di movimento che produce effetti termici anche senza variazione della temperatura. Il crescere della velocità dell aria favorisce la dissipazione del calore, attraverso la superficie dell epidermide, nei seguenti modi: 1. Aumento della dissipazione del calore per convezione, fino a quando la temperatura dell aria rimane inferiore a quella dell epidermide. 2. Accelerazione dell evaporazione e quindi produzione di raffrescamento fisiologico. a. a basse umidità relative (< 30 %) questo effetto è irrilevante in quanto si ha già una intensa evaporazione anche con aria ferma; b. alle alte umidità (> 80 %) l evaporazione è comunque limitata e il movimento dell aria non ha grandi effetti rinfrescanti. c. l evaporazione può essere invece notevolmente accelerata alle medie umidità (40-50 %): se l aria è ferma, lo strato più vicino all epidermide si satura velocemente, impedendo un ulteriore evaporazione, il movimento dell aria invece può assicurare un ricambio e quindi una continua evaporazione. Prof. Filippo de Rossi 17/60

18 Il metabolismo energetico, spesso definito dispendio metabolico, tasso metabolico, energia termica metabolica, o tasso metabolico, per essere inteso deve essere distinto in 2 quote: 0.8 met 46 W/m 2 Metabolismo energetico basale, necessario per il funzionamento degli organi vitali, ed è quello misurato in soggetto a riposo fisico e mentale, in condizioni di neutralità termica (conta circa 45 W/m 2 ). Metabolismo energetico legato all attività, in particolare tendente ad aumentare con l impegno fisico e mentale. Per il metabolismo energetico si è soliti usare una unità di misura incoerente, il met. Convenzionalmente, si è posti 1 met = 58.2 W/m 2. La superficie corporea di un uomo è pari a circa 1.8 m 2. > 3.5 met > W/m 2 Prof. Filippo de Rossi 18/60

19 Infine, il comfort termico è influenzato dalla resistenza termica dell abbigliamento, anche essa convenzionalmente misurata attraverso l unità incoerente definita clo. Al pari del metabolismo energetico, anche la resistenza termica è usualmente misurata attraverso idonee tabelle. La resistenza termica dell abbigliamento è espressa in (m 2 K) / W o come accade più frequentemente, nell unità incoerente clo. [1 clo = (m 2 K) / W]. 1 clo corrisponde alla resistenza media di un abbigliamento invernale; l abbigliamento estivo offre una resistenza termica pari a circa 0.6 clo. Prof. Filippo de Rossi 19/60

20 Comfort: valori di riferimento per ambienti termicamente moderati REGIME INVERNALE T ba = C U.R. = 30% 60% w = m/s T media-radiante = C Metabolismo Energetico: dipendente dalla destinazione d uso e dalla attività. Resistenza termica vestiario: idonea al regime invernale in ambienti chiusi 1 clo. Prof. Filippo de Rossi 20/60

21 Valori di riferimento per ambienti termicamente moderati REGIME ESTIVO T ba = C U.R. = 30% 60% W = m/s T media-radiante = C Metabolismo Energetico: dipendente dalla destinazione d uso e dalla attività. Resistenza termica vestiario: idonea al regime estivo in ambienti chiusi 0.6 clo. Prof. Filippo de Rossi 21/60

22 Alcune considerazioni Temperatura dell aria e temperatura media radiante In precedenza abbiamo visto i 6 parametri da cui dipende il comfort in ambienti chiusi. Può essere utile, accorparli al fine di ridurli e gestirli in modo più semplice. Partendo dalle due temperature sopra citate, la temperatura dell aria e la temperatura media radiante delle superfici dell ambiente, si definisce TEMPERATURA OPERANTE (o OPERATIVA):.la temperatura uniforme di una cavità in cui il soggetto scambierebbe per convezione e irraggiamento la stessa energia che effettivamente scambia nell ambiente reale non uniforme. Numericamente, è la media pesata della temperatura dell aria e di quella media radiante, in cui le conduttanze unitarie radiative (abiti-superfici) e convettive (abitiaria) costituiscono i coefficienti di peso. Prof. Filippo de Rossi 22/60

23 Alcune considerazioni Temperatura dell aria e temperatura media radiante Pertanto, risulta T operativa = h T + h T conv aria rad radiante h conv + h rad Nel caso più comune, cioè in assenza di grosse superfici radianti quali pannelli a pavimento, strisce ad olio diatermico o grossi apparecchi per lo scambio termico radiante, i due coefficienti sono molto prossimi l uno all altro. Dunque, considerandoli uguali, si può semplicemente calcolare la T operativa nel modo seguente: T operativa = T aria + T 2 radiante Prof. Filippo de Rossi 23/60

24 Alcune considerazioni Umidità relativa Lo stato di benessere fisico e psichico dell'organismo umano dipende dalla temperatura, dall'umidità e dalla velocità dell aria. Infatti i processi di termoregolazione cutanea sono stimolati dalla temperatura e dall'umidità che producono sulle persone una sensazione soggettiva influenzata a sua volta dal vento. E noto che l'elevata temperatura è tanto più debilitante e difficilmente sopportabile quanto più è alto il tasso di umidità dell'aria. Un'atmosfera calda ed umida (clima afoso) impedisce il raffreddamento periferico del corpo umano attraverso la traspirazione, mentre l'aria calda e secca favorisce la rapida evaporazione con il conseguente abbassamento della temperatura corporea. Situazioni estive Prof. Filippo de Rossi 24/60

25 Alcune considerazioni Umidità relativa L uomo tollera ampie oscillazioni di umidità relativa. Solitamente, tra il 30% ed il 60%, in entrambi i regimi invernali ed estivi, non si innesca discomfort Molto diverso il discorso per i materiali organici e non, soprattutto quando di natura igroscopica. Ad esempio, se in un ambiente destinato al comfort umano è molto più importante il controllo della temperatura, esattamente l opposto avviene in ambienti museali, dove il controllo del grado igrometrico è sovra-ordinato al controllo del livello termico, al fine di evitare degradazione delle opere d arte. Prof. Filippo de Rossi 25/60

26 Alcune considerazioni Velocità dell aria In ogni ambiente, l aria circola, con velocità non constanti all interno dell intera zona. Il movimento dell aria può iniziare ad essere percepito quando ha un velocità pari o superiore a 0.3 m/s. In regime estivo, un movimento d aria entro 1 m/s non è fastidioso, mentre, in regime invernale, anche la minima percezione di corrente (aria con velocità superiore a 0.35 m/s) può essere fastidiosa. Velocità dell aria: Fino a 0.25 m/s: impercettibile; m/s: piacevole (in estate); m/s: sensazione di aria in movimento; m/s: corrente d aria da lieve a fastidiosa; Oltre 1.50 m/s: fastidiosa. La ventilazione influisce anche sulla qualità dell aria interna e quindi sulla salute degli occupanti. Prof. Filippo de Rossi 26/60

27 Alcune considerazioni: Metabolismo energetico e tasso metabolico Il metabolismo è il complesso di processi chimici e fisici che ha luogo nel corpo umano (trasformazione degli alimenti, trasformazione di ossigeno in CO2, modifica, crescita e rigenerazione delle cellule dell organismo, funzioni fisiologiche e funzioni ed attività motorie. Tasso metabolico o metabolismo energetico (M) è la differenza media nell unità di tempo tra energia somministrata (alimenti, bevande e ossigeno) ed energia espulsa. Il Tasso metabolico non è costante nel tempo, dipende dall alimentazione, dalle condizioni ambientali esterne, dall'attività che la persona svolge. 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). Prof. Filippo de Rossi 27/60

28 Alcune considerazioni Resistenza Termica dell abbigliamento Valori orientativi dell indice di resistenza del vestiario in clo ed in m 2 K/W Prof. Filippo de Rossi 28/60

29 S = M totale (W) - E sk - R res - C - R - C k S = variazione di energia interna del corpo umano nell unità di tempo [W] M tot = flusso metabolico totale [W] W = potenza meccanica scambiata tra il corpo e l ambiente f (attività svolta) [W] E sk = potenza termica dispersa per evaporazione attraverso la pelle f (grado igrometrico dell aria, temperatura dell aria, temperatura della pelle, velocità relativa soggetto aria, abbigliamento, percentuale di pelle bagnata dal sudore) [W] R res = potenza termica dispersa nella respirazione costituita da una quota di calore latente e una quota di calore sensibile f (attività svolta, grado igrometrico dell aria, temperatura dell aria) [W] C = potenza termica scambiata per convezione f (temperatura della superficie esterna del corpo vestito, temperatura dell aria, velocità relativa soggetto-aria, coefficiente di abbigliamento) [W] R = potenza termica scambiata per irraggiamento f (temperatura della superficie esterna del corpo vestito, temperatura media radiante, coefficiente di abbigliamento) [W] C k = potenza termica scambiata per conduzione [W] Prof. Filippo de Rossi 29/60

30 Riproponendo l equazione introdotta in precedenza, S = M (W) - E sk - R res - C - R - C k dove S = variazione di energia interna del corpo umano nell unità di tempo [W] si possono avere 3 situazioni: 1. S > 0: la temperatura del corpo tende ad aumentare (l attività metabolica è preponderante rispetto alle cessioni energetiche). 2. S < 0 :la temperatura del corpo tende a decrescere, poiché troppa cessione di energia all esterno. 3. S = 0: siamo in presenza di equilibrio termico e quindi di potenziale benessere, condizione necessaria ma non sufficiente a causa dei meccanismi di autoregolazione della temperatura corporea. Prof. Filippo de Rossi 30/60

31 In condizioni di benessere stazionario, l uomo non deve variare la propria omotermia, espressiva della necessità di mantenere costante la temperatura del nucleo del corpo a circa 37 C entro il ristretto margine di mezzo grado. Per tali ragioni, il nostro organismo è dotato di un sistema di termoregolazione che provvede a mantenere il valore previsto anche quando per le condizioni ambientali o per l attività svolta vi sia tendenza ad allontanarsene. Dunque, nel corpo umano avvengono reazioni chimiche che trasformano in energia le sostanze nutritive assimilate. L energia termica prodotta internamente al corpo umano da tali reazioni dà luogo al flusso metabolico. La cessione all ambiente esterno (stanza in cui ci troviamo) del flusso metabolico avviene attraverso due meccanismi principali: Scambio termico sensibile, forzato da una differenze di temperatura Scambio termico latente, forzato da una differenza di pressione parziale del vapore. * Il vestiario influenza entrambi Prof. Filippo de Rossi 31/60

32 In casi di alterazione dell omotermia, dovuta a soggiorno in ambienti troppo freddi o troppo caldi, si verificano i cosiddetti fenomeni di termoregolazione dell individuo: In ambienti freddi: vasocostrizione con diminuzione dell afflusso di sangue verso la periferia. Effetti della vasocostrizione sono la pelle d oca ed i brividi. In ambienti caldi: vasodilatazione con aumento dell afflusso di sangue alla periferia. Effetti della vasodilatazione sono la sudorazione e la maggiore traspirazione. Prof. Filippo de Rossi 32/60

33 ORA, SINGOLARMENTE, VEDIAMO TUTTI I TERMINI DEL BILANCIO ENERGETICO S = M (W) - E sk - R res - C - R C k S = variazione di energia interna del corpo umano nell unità di tempo [W] M tot = flusso metabolico totale [W] W = potenza meccanica scambiata tra il corpo e l ambiente f (attività svolta) [W] E sk = potenza termica dispersa per evaporazione attraverso la pelle f (grado igrometrico dell aria, temperatura dell aria, temperatura della pelle, velocità relativa soggetto aria, abbigliamento, percentuale di pelle bagnata dal sudore) [W] R res = potenza termica dispersa nella respirazione costituita da una quota di calore latente e una quota di calore sensibile f (attività svolta, grado igrometrico dell aria, temperatura dell aria) [W] C = potenza termica scambiata per convezione f (temperatura della superficie esterna del corpo vestito, temperatura dell aria, velocità relativa soggetto-aria, coefficiente di abbigliamento) [W] R = potenza termica scambiata per irraggiamento f (temperatura della superficie esterna del corpo vestito, temperatura media radiante, coefficiente di abbigliamento) [W] C k = potenza termica scambiata per conduzione [W] Prof. Filippo de Rossi 33/60

34 Lo scambio termico convettivo, C, dipende dalla differenza di temperatura tra la superficie corporea e l aria in ambiente, per cui si può esprimere come: C = Q = A h (T T ) = A f h (T T ) c cl c cl amb b clo c cl amb A cl, in m 2, è l area della superficie corporea di un uomo vestito. h c è la conduttanza unitaria convettiva che caratterizza lo scambio termico per convezione tra la superficie corporea e l aria presente in ambiente (W/m 2 K) A b, in m 2, è l area della superficie corporea F clo, fattore di abbigliamento, è un numero a-dimensionale > 1 T cl, in C, è la temperatura superficiale di un uomo vestito, T amb, in C, è la temperatura di bulbo asciutto dell aria umida presente in ambiente. Prof. Filippo de Rossi 34/60

35 Lo scambio termico radiativo, R, dipende dalla differenza di temperatura tra la superficie corporea e le superfici radianti intorno, per cui si può esprimere come: 4 4 Q irr ε= Aσ 1 (T1 T 1) 2 R = Q = 0,71 ε Aσ (Tf T ) 4 4 irr b clo uomo cl rad L impiego del coefficiente riduttivo 0.71 dipende dal fatto che la superficie non è perfettamente convessa. A cl, in m 2, è l area della superficie corporea di un uomo vestito. h c è la conduttanza unitaria convettiva che caratterizza lo scambio termico per convezione tra la superficie corporea e l aria presente in ambiente (W/m 2 K). A b, in m 2, è l area della superficie corporea. f clo, fattore di abbigliamento, è un numero a-dimensionale > 1 T cl, in C, è la temperatura superficiale di un uomo vestito, T rad, in C, è la temperatura media radiante delle superfici del locale σ = costante di Stefan Boltzmann pari a 5.67 * 10-8 W/m 2 K 4 ε = emissività del corpo grigio (in questo capo uomo e vestiario) pari a Prof. Filippo de Rossi 35/60

36 Linearizzazione dello scambio termico radiativo Ancora per quanto riguarda lo scambio termico radiativo, semplificando, ed introducendo la conduttanza unitaria radiativa h rad, si può scrivere: R= Ab fclo hrad (Tcl T rad ) A questo punto, sommando C + R si più scrivere: C+ R= Ab fclo htot (T T ) cl operativa dove h totale = h c + h r. Prof. Filippo de Rossi 36/60

37 Lo scambio termico conduttivo, C k, avviene tra uomo e superfici in contatto con questo: pavimento, in caso di uomo in piedi, schienale e sedia in caso di persona seduta. 1 Ck = A contatto (Tcl T superficie ) R totale A contatto, in m 2, è l area della superficie di contatto uomo-struttura. R totale è la resistenza termica totale abbigliamento-superficie (m 2 K/W). T cl, in C, è la temperatura superficiale di un uomo vestito. T superficie, in C, è la temperatura media del pavimento o della sedia. Prof. Filippo de Rossi 37/60

38 Lo scambio termico dovuto alla Respirazione è sia SENSIBILE che LATENTE. In particolare, l uomo inspira aria umida (la portata massica = ventilazione polmonare, legata al metabolismo energetico) che si trova in condizioni ambientali ambientali (T amb e U.R. amb ) ed espira aria riscaldata fino alla temperatura corporea di circa 37 C ed umidificata fino a saturazione (U.R. =100%). R = Q = m h h ( ) res resp a esp insp R = Q = m c T T ( ) res sensibile resp-sensibile a p esp insp R = Q = m h ω ω ( ) res latente resp-latente a vs esp insp Δh c ΔT + Δω p Δh vs Prof. Filippo de Rossi 38/60

39 ω = umidità specifica dell aria umida (kg vapore /kg aria-secca ) Δh vs = calore latente di evaporazione dell acqua alla temperatura di 0 C. Tale valore può essere posto = kj/kg, alla T di = 0 C. c p = calore specifico a pressione costante dell aria umida (kj/kgk) Al fine di non rendere ridondante la trattazione, si omette la descrizione della E sk, potenza termica dispersa per traspirazione della pelle. Anche tale aliquota di scambio termico è sensibile e, soprattutto, latente e dipende da U.R., T amb, T uomo, velocità relativa soggetto aria, R clo, percentuale di pelle bagnata dal sudore. Lo scambio termico interessa l aria ambiente che, lambendo la pelle delle persone, ne risulta riscaldata ed umidificata (incremento di T ed ω). Prof. Filippo de Rossi 39/60

40 Più semplicemente, l equazione di bilancio può essere scritta come: M A b =. Q + W +. S In condizioni di benessere non deve esserci variazione di energia interna, per cui il termine di accumulo S si annulla. Pertanto si può scrivere: M A b Da tale relazione desumiamo che, in condizioni di benessere, l energia disponibile nell unità di tempo dal corpo (il metabolismo) è in parte utilizzata come lavoro esterno nell unità di tempo, in parte è smaltita sotto forma di potenza termica.. = Q+ W. Considerando l uomo come una macchina termica, si può definire il rendimento come η =. W M A b Essendo la potenza meccanica di gran lunga inferiore a Q, η assume un valore molto basso, pari a circa Prof. Filippo de Rossi 40/60

41 Al fine di mantenere le condizioni di benessere, il corpo umano, quando vi è una variazione di uno dei termini dell equazione, tende a ripristinare le condizioni di equilibrio, attraverso i meccanismi di termoregolazione. Ad esempio, al diminuire della T amb, tende ad aumentare la cessione di energia, perché tende ad aumentare lo scambio termico convettivo tra superficie corporea e aria ambiente. Il corpo umano, allora, attiva la vasocostrizione dei tessuti superficiali, riducendo la T corpo e ripristinando, quindi, il T iniziale e quindi la iniziale. Se invece la T amb aumenta, si riduce (T cl T amb ) e, quindi, si attivano pertanto meccanismi di vasodilatazione dei tessuti superficiali che inducono un aumento della temperatura superficiale corporea, per cui si tende a ripristinare il T iniziale. Ancora, variare l abbigliamento, e quindi la resistenza termica di questo, consente di ripristinare il giusto scambio termico necessario per avere condizioni di benessere. Prof. Filippo de Rossi 41/60

42 Le condizioni di benessere termico di un ambiente confinato sono individuabili dalle combinazioni, che soddisfano la relazione prima vista, senza variazioni di S. Le variabili sono 6, e sono quelle prima viste (4 oggettive, 2 soggettive). L ASHRAE ha proposto di vincolare alcuni dei sei parametri: abbigliamento tipico stagionale - I clo 0.5 clo in estate, - I clo 0.9 clo inverno - Attività leggera (M < 1.2 met); - w a < 0.15 m/s T operativa Prof. Filippo de Rossi 42/60

43 Sul diagramma psicrometrico sopra-riportato, si può notare che: 1. Le due zone di benessere termico (estivo ed invernale) si sovrappongono leggermente intorno ai 23 C/24 C. A questa T operativa, un uomo vestito con abiti invernali avverte in inverno una lieve sensazione di caldo, mentre un uomo vestito con abiti estivi avverte in estate una lieve sensazione di freddo. 2. Se la temperatura media radiante T rad risulta circa uguale alla temperatura di bulbo asciutto T amb, si può con buona approssimazione sostituire, sull ascissa la temperatura operativa con la T amb e utilizzare, quindi, il diagramma psicrometrico tradizionale. 3. Se la velocità dell aria è maggiore di 0.15 m/s, le zone si spostano verso destra (sono, cioè, necessarie T amb più alte). Se aumenta il livello di attività e quindi il metabolismo M risulta maggiore di 1.2 met, le suddette zone si spostano verso sinistra nel diagramma psicrometrico tradizionale. Stagione T amb ottimale ( C) Campo di variabilità T amb ( C) Inverno Estate Prof. Filippo de Rossi 43/60

44 INDICI DI COMFORT Allo scopo di individuare condizioni di comfort termico globale, sono stati introdotti degli indici, funzioni delle sei variabili prima definite, che assumono lo stesso valore per tutte le combinazioni delle sei variabili che determinano uguali sensazioni termiche. Gli indici proposti in letteratura sono di due tipi: indici di sensazione, basati sul giudizio che un campione significativo di persone. indici di temperatura, che si basano sulla definizione di temperature equivalenti. Tra gli indici più utilizzati si citano il PMV ed il PPD, entrambi indici di sensazione. Si noti che, poiché tali indici si basano su medie relative a valutazioni comunque soggettive, anche quando gli indici calcolati risultano compresi in intervalli di benessere ci possono sempre essere dei soggetti che ritengono l ambiente in esame caldo o freddo. Prof. Filippo de Rossi 44/60

45 L indice PMV (Predicted Mean Vote, cioè Voto Medio Previsto) è un indice che esprime un voto medio assegnato da un gruppo di persone selezionate riguardo al microclima di un ambiente confinato. + 3 Molto caldo +2 Caldo +1 Leggermente caldo 0 Neutralità -1 Leggermente freddo -2 Freddo -3 Molto freddo Il voto può essere uno dei 7 nella Tab. a sinistra. Il PMV dipende dai 6 parametri prima visti. Tale indicatore fu introdotto da Fanger. In base alla norma UNI EN ISO 7730 (vecchia versione DEL 1997), un ambiente sarà accettabile se PMV è compreso tra 0.5 e 0.5. Si il PMV non è compreso tra 1 e +1, l ambiente non è termicamente moderato, bensì rispettivamente severo caldo o severo freddo. Il PMV, matematicamente, è espresso tramite una relazione complessa, implementata nel foglio di calcolo riportato in seguito Prof. Filippo de Rossi 45/60

46 Secondo quanto detto in precedenza, anche quando risulta PMV=0 (neutralità termica) vi saranno alcune persone che non troveranno gradevole il microclima. Per capire meglio, e quantificare, tale situazione, è utile introdurre un secondo indice, il PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied, cioè Percentuale Prevista di Insoddisfatti), legato al PMV da una relazione analitica rappresentata a destra PPD PMV Vi sarà fornito, dopo esercitazione in aula, un foglio di calcolo di PMV e PPD Prof. Filippo de Rossi 46/60

47 E importante precisare che, come visibile nei diagrammi precedenti, anche per PMV=0 risulta PPD 0 (=5%). Si vede anche che il vincolo indicato nella norma UNI EN ISO 7730, PMV compreso tra 0.5 e 0.5, equivale ad una percentuale di insoddisfatti pari al 10% del campione di persone. Sino ad ora, si è parlato del benessere termico ed igrometrico dell individuo rispetto all ambiente nel suo complesso. In realtà, esistono anche CAUSE LOCALI DI MALESSERE, di seguito brevemente illustrate. 1. Elevata differenza verticale di temperatura dell aria. 2. Pavimento troppo caldo o troppo freddo. 3. Correnti d aria. 4. Elevata asimmetria della temperatura piana radiante. Prof. Filippo de Rossi 47/60

48 1. Elevata differenza verticale di temperatura dell aria. In ambiente possono verificarsi dei gradienti verticali di temperatura, poiché, per ragioni connesse alla densità minore, l aria più calda tende a stratificare verso l alto. Tale evento, oltre ad implicare un maggior consumo di energia nel periodo di riscaldamento, può produrre sensazione di discomfort (caldo alla testa, freddo ai piedi). La norma UNI EN ISO 7730, nella precedenza versione che non considerava il comfort adattativo, prevedeva che tale differenza di temperatura T, a 0.1 m e 1.1 m (soggetto seduto), non fosse superiore ai 3 C. Ciò equivale ad accettare una percentuale massima di insoddisfatti pari al 5%. Prof. Filippo de Rossi 48/60

49 2. Pavimento troppo caldo o troppo freddo. Il pavimento è in contatto con l individuo, con cui scambia energia per conduzione. Considerato uomini non scalzi, la UNI 7730 stabilisce che una temperatura del pavimento (T pav ) compresa tra 19 C e 26 C è quella idonea a non determinare malessere, anche legato a problemi di circolazione sanguigna. Il limite superiore è invece 29 C solo nel caso di impianto di riscaldamento a pavimento). Tale limite equivale ad accettare una percentuale massima di insoddisfatti, PD, pari al 10%. Prof. Filippo de Rossi 49/60

50 3. Correnti d aria. Spesso, correnti d aria che investono la persona producono sensazioni di dis-comfort termico localizzato nella zona del corpo investita. E stato definito un coefficiente, DR (Draft Risk, cioè rischio da correnti d aria), che rappresenta la percentuale di insoddisfatti da correnti d aria. In passato si riteneva che il discomfort da corrente d aria dipendesse solo dalla velocità dell aria; nel nuovo indice, DR, invece, si considera anche l influenza della T amb e dell intensità di turbolenza Tu. Pertanto, la sola valutazione della velocità dell aria ambiente non basterebbe, essendo DR dipendente anche da turbolenza dell aria e temperatura. A rigore, andrebbe valutato DR. In pratica, garantire velocità dell aria, ad altezza uomo, non superiori a 0.15 m/s è alquanto cautelativo. Prof. Filippo de Rossi 50/60

51 4. Elevata asimmetria della temperatura piana radiante. L uomo scambia energia per irraggiamento con le superfici dell ambiente in cui si trova. Quando questo presenta temperature superficiali molto difformi (ad esempio, da un lato una vetrata sul passaggio innevato e, dall altro, un focolare acceso) avvertiamo caldo al viso, freddo alla nuca. Ciò determina dis-comfort. La differenza di temperatura piana radiante può risultare elevata in presenza di un camino, o di ampie superfici vetrate o di un impianto di riscaldamento a parete, a soffitto o a pavimento. In questi casi possono verificarsi situazioni di discomfort localizzato. Si hanno percentuali di insoddisfatti, PDrad, diverse a seconda del tipo di situazione in cui ci si trova. PDrad [%] soffitto caldo parete fredda soffitto freddo parete calda Tp,rad [ C] Prof. Filippo de Rossi 51/60

52 CENNI SULLA QUALITA DELL ARIA IN AMBIENTI CONFINATI Il comfort negli ambienti confinati non può essere garantito se non si verificano condizioni di buona qualità e purezza dell aria. La qualità dell aria, spesso definita IAQ (Indoor Air Quality) dipende dalla concentrazione degli inquinanti presenti: polveri, gas indesiderati, fumi. Il particolato può essere rimosso dall ambiente con l impiego di opportuni filtri. La norma UNI 10339/1995 riportava una tabella con indicazioni relative a 14 classi di filtrazioni: l efficienza di filtrazione (E) varia tra valori inferiori al 65% per la classe 1 ed il % per filtri di classe 14. Prof. Filippo de Rossi 52/60

53 Classe Efficienza del filtro E Campo di efficienza % Metodo di prova 1 M E < 65 ponderale 2 M 65 E < 80 ponderale 3 M 80 E < 90 ponderale 4 M 90 E ponderale 5 A 40 E < 60 atmosferico 6 A 60 E < 80 atmosferico 7 A 80 E < 90 atmosferico 8 A 90 E < 95 atmosferico 9 A 95 E atmosferico 10 AS 95 E < 99.9 fiamma sodio 11 AS 99.9 E < fiamma sodio 12 AS E < fiamma sodio 13 AS E < fiamma sodio 14 AS E fiamma sodio M = media efficienza, A = alta efficienza, AS = altissima efficienza e filtri assoluti Prof. Filippo de Rossi 53/60

54 Oggi la Norma è stata aggiornata. I filtri non sono più M, A ed AS bensì G, F, ULPA (Ultra-Low Particulate Air) ed HEPA (High-Efficiency Particulate Air). In sostanza, cambia la denominazione ma non la teoria alla base. Ogni filtro di un impianto di climatizzazione deve essere preceduto da un filtro di classe inferiore. Classificazione degli edifici per categorie Classe ** di filtri Efficienza di filtrazione ** EDIFICI ADIBITI A RESIDENZA E ASSIMILABILI min. Max. - abitazioni civili 4 7 M *, M+A - collegi, luoghi di ricovero, caserme, conventi 4 7 M *, M+A - alberghi, pensioni 5 7 M+A Oltre alla filtrazione, la qualità dell aria necessita anche opportuni rinnovi dell aria ambiente, valutati in m 3 di aria/ora per persona (m 3 /h persona)(il che prevede la conoscenza dell indice di affollamento) o in volumi di rinnovo all ora (ACH, h -1 ). Prof. Filippo de Rossi 54/60

55 Classificazione degli edifici per categorie (UNI 10339) EDIFICI ADIBITI A RESIDENZA E ASSIMILABILI Ricambio aria (m 3 /h persona) Affollamento n s (persone/m 2 ) abitazioni civili: Soggiorni, camere da letto collegi, luoghi di ricovero, case di pena, caserme, conventi: soggiorni sale riunioni Tutti gli aspetti connessi alla qualità dell aria in ambiente saranno affrontati nel dettaglio durante il prosieguo del corso Prof. Filippo de Rossi 55/60

56 CENNI SUL COMFORT ADATTATIVO Un diverso approccio per valutare le condizioni di comfort termico è consistito nello sviluppare diagrammi di comfort adattativo. In particolare, si stabilisce che l uomo, qualora sia in grado di modificare le condizioni del contesto in cui si trova (variare l abbigliamento, aprire o chiudere le finestre, accendere o spegnere gli impianti) sia disposto ad accettare condizioni anche non propriamente ideali. Pertanto, i nuovi standard sul comfort termico (ASHRAE Standard 55/2004, EN ISO 7730/2005, EN 15251) non stabiliscono condizioni fissate di comfort, ma le differenziano in base al tipo di impianto ed al controllo microclimatico perseguito. In particolare, per ambienti fully-conditioned, si conserva ancora un approccio legato alla teoria di Fanger. Laddove, però, l utente sia in grado di modificare sostanzialmente il microclima, vi è una maggiore accettabilità dell ambiente. Prof. Filippo de Rossi 56/60

57 L avvio agli studi sul comfort adattativo è partito dalle ricerche di de Dear e Brager, in cui si stabilisce che la temperatura di comfort in ambiente non è disconnessa dalle condizioni climatiche esterne, bensì fortemente legata a queste. Gli studi di Fanger, invece, erano condotti in camera climatica, senza, pertanto, alcuna correlazione rispetto all esterno e possibilità di scelta e condizionamento da parte delle persone lì all interno. L adattamento comportamentale dell uomo comprende: 1. adattamento personale (variare l'abbigliamento, l'attività, la postura; mangiare cibo; bere bevande calde o fredde, spostarsi in un altro ambiente o in un'altra posizione); 2. adattamento ambientale (aprire o chiudere le finestre, adattare agli schermi solari; attivare il riscaldamento o un ventilatore; chiudere i diffusori di aria; agire su altri controlli del sistema di climatizzazione); 3. adattamento culturale (adattare il "dress code" alle condizioni climatiche; programmare le attività, ecc.). Prof. Filippo de Rossi 57/60

58 La opportunità di adattamento è l aspetto che può differenziare gli ambienti. A un estremo vi è la camera climatica, in cui i soggetti non hanno libertà di modificare il proprio abbigliamento e la attività. FMC FULLY MECHANICALLY CONTROLLED BUILDINGS. All'altro estremo vi è il caso di una stanza con un unico occupante, il quale è libero di modificare l'abbigliamento e la sua attività e ha un'ampia gamma di possibilità di controllo ambientale. FR - FREE RUNNING. Nel mezzo, vi sono i casi intermedi PARTIALLY MECHANICALLY CONTROLLED. In funzione del tipo di controllo, cambiano i modelli di comfort. Se l approccio, in ambienti FMC, è ancora tendenzialmente statico (simile a quello visto sino ad ora in questa presentazione), per ambienti in cui l individuo può agire ed influenzare il microclima, la Temperatura di benessere diviene funzione della Temperatura esterna. Secondo la EN 15251/2007 (indoor environmental input parameter for design and assessment of energy performance of building addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics) il comfort termico è diviso in base alla percentuale di persone soddisfatte dal microclima: Categoria I 90% degli occupanti soddisfatti; Categoria II 80% degli occupanti soddisfatti; Categoria IIII 65% degli occupanti soddisfatti. Prof. Filippo de Rossi 58/60

59 Costruzione delle Classi di Comfort mediante la seguente funzione Limite inferiore classe T = 0.33 T X INDOOR MAX INDOOR MIN OUTDOOR MEAN MONTHLY Limite superiore classe T = 0.33 T X OUTDOOR MEAN MONTHLY Nelle 2 equazioni sopra riportate, ecco I valori di X: Categoria I (90% accettazione, 10% insoddisfatti) X = 2 Categoria II (80% accettazione, 20% insoddisfatti) X = 3 Categoria III (65% accettazione, 35% insoddisfatti) X = 4 Comfort Conditions EN Categoria I (90% accettazione) Categoria II (80% accettazione) Categoria IIII (65% accettazione) Napoli (T media Luglio = ca C) Roma (T media Luglio = ca C) Milano (T media Luglio = T = ca C) C C C C C C C C C Prof. Filippo de Rossi 59/60

60 Temperatura operativa interna [ C] Temperatura media mensile esterna [ C] FINE Prof. Filippo de Rossi 60/60