Il Benessere Termoigrometrico

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1 Benessere Termoigrorico - 1 Il Benessere Termoigrorico Quando un indiiduo si troa all interno di un ambiente, il suo organismo reagisce alle condizioni termiche ed igroriche dell ambiente stesso in modo tale da garantire una stabilità della temperatura degli organi interni del corpo umano. Tale temperatura dee rimanere attorno ai 37 C con una tolleranza di 0,5 C. L interazione dell indiiduo con l ambiente si manifesta sotto arie modalità di scambio termico con lo stesso: si ha irraggiamento fra i estiti e le superfici della stanza, conezione con l aria circostante, conduzione con le superfici con cui l indiiduo è a diretto contatto ed, infine, eaporazione superficiale. Se la permanenza dell indiiduo nell ambiente non ingenera l insorgere di briidi o di eccessia sudorazione, e se la elocità dell aria nelle icinanze dell indiiduo è ridotta a alori per i quali lo stesso non aerte un senso di fastidio, è possibile affermare che sono state raggiunte le condizioni di benessere termoigrorico. Emerge chiaramente una caratteristica soggettia alla definizione di benessere, è eidente infatti che non tutti gli indiidui aranno la stessa sensazione dell ambiente circostante. E per questa ragione che le condizione di benessere assunte oggettiamente sono frutto di una alutazione statistica effettuata su un gran numero di indiidui; tale alutazione ha permesso di definire delle cure di grado di soddisfazione dell ambiente, e dei parari: PMV (Voto Medio Preisto) e PPD (Percentuale Preista di Insoddisfatti) atti a alutare la qualità termoigrorica dell ambiente. In sostanza il garantire una condizione di benessere richiede lo siluppo di una procedura di progettazione ed implementazione impiantistica che superi la sola alutazione dei carichi termici necessari, ma che tenga conto inece della distribuzione locale di tali carichi.

2 Metabolismo Basale Benessere Termoigrorico - 2 Le condizioni di isotermia interna a 37 C engono mantenute grazie alle reazioni aboliche dell organismo umano, ossia la conersione, del cibo assunto dall indiiduo, in energia abolica, perte allo stesso di sopraiere. Tale energia è generalmente espressa dai nutrizionisti in Calorie (Cal) che equiale ad una kcal termica: 1Cal=1kcal=4,187kJ. L energia richiesta per solgere le normali funzioni di base del corpo è chiamata Metabolismo Basale, per un uomo di 30 anni, 70 kg di massa, 1,73 ri di altezza e con una superficie corporea di 1,8 m 2 è pari a 84W. Tale potenza iene prodotta mediante la conersione di energia chimica, presa dal cibo, in calore e iene immessa in ambiente dall indiiduo. Oltre a ciò ogni indiiduo respirando scalda l aria inspirata e la reimte a temperatura ed umidità più eleate. Formula di DuBois per il calcolo della superficie di un indiiduo (h=altezza in ri, m=massa in kg) 0,425 0,725 2 Ab = 0,202 m h m Seduto In piedi Cammino Danza Pulizie domestiche Tennis Corsa Attiità Fase di sonno Potenza abolica specifica (W/m 2 ) Il comfort di un indiiduo dipende essenzialmente da 3 fattori ambientali: la Temperatura dell ambiente, l umidità relatia e la elocità di moimento dell aria. Ai alori assunti da tali parari l indiiduo può arriare ad un grado di soddisfazione agendo anche sul tipo di abbigliamento adottato; purché lo stesso sia conforme alla destinazione d uso dell ambiente stesso. 1 = 58 W / m 2

3 Parari ambientali (1) Benessere Termoigrorico - 3 TEMPERATURE AMBIENTE Quando parliamo di temperatura in un ambiente non possiamo trascurare il fatto che zone dierse, dello stesso ambiente, possano troarsi a temperature dierse fra loro. La stessa aria ambiente può presentare gradienti di temperatura,erticale ed orizzontale, a causa di effetti di stratificazione e/o di circolazione; i corpi scaldanti, o le sorgenti artificiali di calore, possono dare origine a zone ad eleato irraggiamento, circondate da altre zone in cui l irraggiamento è sensibilmente ridotto. Il paimento contribuisce a ridurre od incrementare lo scambio termico fra l indiiduo e l ambiente, da non sottoalutare infine la elocità dell aria che lambisce l indiiduo; l effetto indotto da quest ultimo pararo è duplice in quanto oltre ad un senso di fastidio si ha anche un = aumento dello scambio termico conettio fra l indiiduo e l ambiente. A causa della complessità dello scambio termico fra l indiiduo e l ambiente circostante si introduce una Temperatura Operatia, che tenga conto delle disuniformità locali di temperatura dell ambiente. Temperatura Operatia C (con umidità relatia del 50%) Gradiente erticale Velocità dell aria Max. 3 C tra 0,1 e 1,1 ri 0,25 m/s

4 Parari ambientali (2) Benessere Termoigrorico - 4 UMIDITA RELATIVA Tale pararo influisce in maniera modesta sulla sensazione termica di benessere; infatti: in condizioni di attiità normali (1,2 di potenza abolica), con abbigliamento estio, in condizioni di benessere e per una elocità dell aria pari a 0,15 m/s, il passare da un alore di umidità relatia del 30% ad un alore del 70% corrisponde ad un aumento della temperatura operatia di quasi 1 C. Per quanto riguarda il alore di umidità relatia di progetto, da mantenere all interno dell ambiente termocontrollato, si può assumere un alore del 45% durante la stagione inernale, per poi salire ad un 55% durante quella estia. E ammessa una tolleranza del 10%. Tali alori sono stati scelti sulla base di criteri igienici e sanitari, infatti: per un umidità relatia inferiore al 30% si presentano delle irritazioni alle mucose, laddoe un alore superiore al 70% faorisce lo siluppo di muffe all interno dell ambiente abitato. Si sottolinea infine che, qualora si mantenga per la temperatura operatia i seguenti alori: Inerno 19 C 25 C Estate 23 C 27 C una ariazione dell umidità relatia nel campo 30-70% non modifica la sensazione di benessere. VELOCITA DELL ARIA Le norme attuali fissano il alore massimo in: 0,15 m/s in Inerno e 0,25 m/s in Estate; ma da esperienze di pratica impiantistica se ne consiglia una riduzione del alore massimo estio a 0,20 m/s; onde eitare disturbi indotti, soprattutto, dall aumentata sudorazione e dal ridotto abbigliamento indossato dall indiiduo durante questa stagione.

5 Bilancio termico tot = ( sens. + lat.) + ( sens. + lat.) resp. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = h A T T + h A T T = h A T T = sens. con a irr surr comb. op A T T A T T = = R ' 1 R ' + h p p op comb T op T a + T 2 surr Il corpo umano dissipa, il calore generato abolicamente, erso l ambiente esterno; le modalità principali di dissipazione sono: mediante calore latente e mediante calore sensibile. Il calore latente rappresenta il calore ceduto per far eaporare l acqua: in modo superficiale sulla ed in modo profondo attraerso la respirazione. Il calore sensibile è inece associato allo scambio di calore, per Conezione ed Irraggiamento con l ambiente, a quello per conduzione attraerso i corpi posti a contatto con l indiiduo ed, infine, a quello necessario a scaldare l aria inalata durante la respirazione. Benessere Termoigrorico - 5 A = Superficie estiti = 1,3 A b T = Temperatura estiti R = Resistenza unitaria estiti h comb = Coeff. Combinato di Irr. e con. T p = Temperatura T surr = Temp. Media pareti T a =Temp. Aria T op = Temp. operatia

6 Bilancio Termico (2) Benessere Termoigrorico - 6 = m H lat apore Doe il massimo flusso di apore che possiamo aspettarci da un corpo umano è pari a 0,3 g/s ed H è l entalpia di aporizzazione dell acqua, che a 30 C è pari a 2430 kj/kg. Da tali considerazioni possiamo pensare che il massimo flusso di calore latente proeniente dall eaporazione superficiale sia di circa 730 W. Flusso di calore dissipato durante la Respirazione Come detto in precedenza tale contributo è pari alla somma di due quantità: la potenza termica sensibile fornita all aria inalata e quella latente, douta all aggiunta di apore all aria aspirata. Il primo termine iene realizzato mediante un processo di conezione fra l aria ed i tessuti polmonari, ciò porta ad un flusso termico pari a: ( ) = m T Cp T T out = Temperatura aria esalata sens resp aria asp. aria out a La potenza termica latente associata alla respirazione è inece data da: ( ) = m H w w lat resp aria asp. out a T a = Temperatura ambiente Cp a = Calore specifico = 1 kj/kg w out = umid. Ass. dell aria esalata Poiché però la massa di aria aspirata dipende dal tipo di attiità, e quindi dalla potenza abolica messa in gioco, esiste una formulazione empirica che perte di determinare la potenza totale associata alla respirazione: ( + ) = 0,0014 (34 T ) + 0,0173 (5,87 P ) lat. sens. resp. a, a doe la P,a è la pressione di apore dell ambiente, espressa in kpa.

7 Esercizio Benessere Termoigrorico - 7 Da dati statistici si è ormai assodato che un essere umano ritiene di essere in condizioni di comfort quando la temperatura della è pari a circa 33 C. Da tale presupposto prendiamo un indiiduo coperto con abiti estii, resistenza termica degli abiti pari a 0,6 clo, che si troa in condizioni di comfort in un ambiente posto a 22 C. Qualora olessimo che tale indiiduo permanga nello stesso ambiente prio di indumenti di copertura, quale dorebbe essere la temperatura dell ambiente, nell ipotesi che non enga modificata la sensazione di comfort? Si assuma che il calore latente perso dall indiiduo sia lo stesso nei due casi e che il coefficiente di scambio termico combinato non enga a modificarsi, e rimanga uguale a 9 W/(m 2 K). La superficie esterna dell indiiduo sia pari a 1,8 m 2. Poiché il flusso latente dee rimanere lo stesso è sufficiente calcolarsi quello sensibile, nei due casi, ed imporre che rimanga costante. 2 R ' = 0,6 0,155 = 0,093 m K / W ( ) 1, 8 ( 33 ) A T T T sens. ( ) 1, 8 ( 33 22) A Tp Top = = = 97 W 1 1 R ' + 0,093 + h 9 p op op sens. = = = 97 W T 28,0 sestito op Q 1 1 R ' + 0+ h 9 comb comb = C 1 clo = 0,155 m 2 K/W

8 Benessere Termoigrorico - 8 Indici di alutazione PMV e PPD (ISO 7730) Quando un indiiduo è in condizioni di equilibrio omeotermo con l ambiente circostante tutta la potenza abolica iene smaltita mediante flusso termico superficiale e per respirazione. Qualora inece un indiiduo non si troi in condizioni di benessere la potenza abolica prodotta risulterà diersa da quella omeoterma necessaria al benessere; la condizione può essere resa ancor più generale introducendo un eentuale laoro meccanico solto dall indiiduo: W. Viene definito Carico Termico (CT) la differenza fra la potenza abolica prodotta dall indiiduo durante la sua attiità e quella che lo stesso indiiduo cederebbe all ambiente in condizioni di benessere: (( ) ( ) ).... CT = W sens lat sens lat resp. equilibrio Per il calcolo del flusso termico ceduto in condizioni di benessere si impone che la temperatura della ed i flusso termico latente per sudorazione siano pari a : T = 35,7 0,028 ( W ) C lat. = 0, 42 ( W ) 58 W Una olta determinato il Carico Termico è possibile determinare il Voto Medio Preisto (PMV) dalla formula: 0,036 Ab PMV CT 0,303 e = + 0,028 e quindi, la Percentuale Preedibile di Insoddisfatti (PPD): ( 0, PMV 0,2179 PMV ) PPD = e + PMV Sensazione +3 Molto caldo +2 Caldo +1 Leggermente caldo 0 Neutro -1 Fresco -2 Freddo -3 Molto Freddo

9 Esercizio Benessere Termoigrorico - 9 Dati di Progetto W T C W A m R clo 2 = 97 ; op = 24 ; = 0 ; b = 1,8 ; ' = 0,6 ; h = W m K T = C φ = comb. T = 35, 7 0, 028 ( W ) = 32, 984 C 2 9 / ; a 20 ; 55% P, a = φ Ps = 0,55 2,339 = 1,286 kpa 7066,27 Ps = exp 65,81 5,976 ln( Ta ) = 2,339 kpa Ta ( + ) = 0,0014 (34 T ) + 0,0173 (5,87 P ) = 9,6 W lat. sens. resp. a, a sens ( ) A Tp Top. = = 79,2 W R ' + 1/ h comb lat. = 0, 42 ( W ) 58 = 17,26 W (..) (..) ( ) CT = W = sens lat sens lat resp. equilibrio 25,46 0,036 Ab PMV CT 0,303 e = + 0,028 = + 1,8 ( 0, PMV 0,2179 PMV ) PPD = e + = 67 %

10 Dati Utili (1) Benessere Termoigrorico - 10 Abbigliamento Pantaloncini corti Camicia, pantaloncini, sandali Pantaloni lunghi estii, camicia Pantaloni da laoro, calze di lana e camicia Tenuta da fatica delle Forze Armate Abito pesante tipo europeo Diisa inernale delle F.A. Clo m 2 K/W

11 Dati Utili (2) Benessere Termoigrorico - 11 Attiità soggetto dormiente soggetto seduto soggetto in piedi rilassato Scriere a macchina Disegnare Pulizie di casa Laare e stirare Solleare sacchi da 50 Kg Laoro di piccone e pala Cammino in piano a 4 Km/h Cammino in piano a 8 Km/h Ginnastica Danza Tennis Lotta W (*) (*) Dati riferiti ad un indiiduo di taglia media con superficie corporea = 1.8 m 2