UNIVRSITA DGLI STUDI MDITRRANA DI RGGIO CALABRIA FACOLTA DI INGGNRIA Dirtimento di Informtic Mtemtic lettronic e Trsorti QD-SD 03/02 L vlutzione delle condizioni termiche negli mbienti severi Antonino Nucr QUADRNO DI DIPARTIMNTO Serie didttic Feo di Vito - 89100 Reggio Clbri - Itly
INDIC Sommrio...3 Abstrct...3 1. Termoregolzione del coro umno...5 1.1 Bilncio termico del coro umno...5 1.2 Vrizione di energi intern...6 1.3 Metbolismo energetico...6 1.4 Potenz meccnic...7 1.5 Potenz termic disers nell irzione...7 1.5.1 Scmbio sensibile...7 1.5.2 Scmbio ltente...8 1.6 Potenz termic disers ttrverso l elle...8 1.6.1 Scmbio er convezione...9 1.6.2 Scmbio er conduzione...10 1.6.3 Scmbio er rdizione...10 1.6.4 Temertur del coro umno bbiglito...11 1.6.5 Scmbio er evorzione...12 1.7 quzione di bilncio...13 2. Ambienti severi...15 2.1 Ambienti severi cldi...15 2.2 Indice WBGT...16 2.2.1 Durt delle use di rioso...17 2.3 Indice SW req...17 2.3.1 Temo limite di esosizione...20 2.4 Ambienti severi freddi...21 2.5 Isolmento richiesto, IRQ...21 2.5.1 Temo limite di esosizione...23 2.6 Indice WCI...23 Bibliogrfi...25 2
L vlutzione delle condizioni termiche negli mbienti severi Antonino Nucr Sommrio L senszione termic di un soggetto in un mbiente confinto è strettmente legt ll roduzione di clore metbolico, llo scmbio di energi con l mbiente e lle conseguenti vrizioni fisiologiche e di temertur del coro. Nelle normli condizioni di vit e di lvoro l uomo è generlmente esosto d mbienti in cui è ossibile rggiungere il benessere termico, definito come l condizione dell mente er l qule l uomo esrime soddisfzione er l mbiente termico circostnte. In questo cso gli mbienti srnno detti mbienti moderti. Nei csi in cui le condizioni microimtiche rendno imossibile rggiungere le condizioni di benessere, il soggetto esosto si troverà invece in condizioni di sts termico e gli mbienti rendernno il nome di mbienti severi. Gli mbienti severi ossono oi loro volt essere ssificti in mbienti severi cldi ed mbienti severi freddi. Nell ottic di vlutre le condizioni termiche dei soggetti osti in mbienti severi, nell rte inizile di questo documento verrnno nlizzti i meccnismi di termoregolzione del coro umno e verrnno definite le relzioni che consentono di eslicitre l equzione di bilncio termico del coro umno. Successivmente, fcendo riferimento lle normtive nzionli ed internzionli emnte in tem di sts termico, verrnno quindi descritti i rocedimenti iù comunemente dottti er l vlutzione delle condizioni termiche dei soggetti esosti d mbienti severi cldi ed mbienti severi freddi. Abstrct The therml senstion of subject in n indoor environment is strongly linked to the metbolic het roduction of the body, to its therml exchnge with the environment, nd to its hysiologicl nd of temerture vritions. In stndrd conditions of life nd work, eole is generlly exosed to environments in which it is ossible to rech therml comfort, defined s the condition of the mind for which eole exs stisfction for the surrounding therml environment. In such cse environments re defined moderte environments. Nevertheless, in rticulr therml conditions, it is imossible to rech comfort; in this cse the exosed subjects re in therml sts conditions nd the environments re clled severe environments. In ddition, severe environments cn be ssified in severe hot environments nd severe cold environments. In order to evlute therml conditions of eole in severe environments, in the first rt of the text the thermoregultion mechnisms of humn body will be nlyzed nd the terms of the het blnce eqution for the humn body will be definite. Subsequently, with reference to domestic nd interntionl stndrds regrding therml sts, the more commonly rocedu doted for the evlution of the therml conditions of the subjects exosed to severe hot nd severe cold environments will be described. 3
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1. Termoregolzione del coro umno Il coro umno uò essere suddiviso dl unto di vist fisiologico in due zone crtterizzte d differenti temerture. L rim, costituit dl nueo interno, ent un temertur soché costnte ri circ 37 C, mentre l second, costituit dll elle e di tessuti d ess dicenti, ent un vribilità dell temertur che uò ndre d un mssimo di 45 C d un minimo che, second dell rte del coro, uò oscillre tr i 4 ed i 17 C. Mentre l temertur suerficile uò vrire in relzione lle condizioni dell mbiente, l temertur del nueo deve mntenersi costnte er grntire le condizioni di sorvvivenz dell individuo (omeotermi). Per mntenere isotermo il nueo, il coro umno è dotto di un sistem di termoregolzione il cui funzionmento è comndto dll iotlmo, centro nervoso collocto nel cervello. Nell iotlmo confluiscono le terminzioni nervose rovenienti di recettori termici osti nel coro. I segnli rovenienti d essi vengono confrontti con vlori di riferimento e qulor risultino differenti, vengono ttivti i meccnismi di termoregolzione. Tli meccnismi sono di due tii: vsomotori e comortmentli. Medinte l termoregolzione vsomotori è ossibile modificre l quntità di clore disers verso l mbiente modificndo l circolzione snguign suerficile. I cillri eriferici sono dotti di vlvole, gli sfinteri, che, rendosi o chiudendosi, consentono inftti di mutre il flusso snguigno. Se l mbiente esterno è cldo vviene llor l ertur degli sfinteri (vsodiltzione) che h come conseguenz un incremento del flusso termico scmbito con l mbiente. In un mbiente freddo si h invece l chiusur degli sfinteri (vsocostrizione) ed un riduzione degli scmbi termici verso l esterno. Qulor l regolzione vsomotori non si sufficiente mntenere l omeotermi del nueo, interviene l regolzione comortmentle. ss si mnifest in mnier differente er rezione l cldo o l freddo. L regolzione contro il cldo ort ll sudorzione trmite l qule il coro diserde clore cus del cmbimento di stto del film di sudore che ricore intermente l elle. L regolzione contro il freddo comort invece l insorgere del brivido che consiste nell ttivzione dei grui muscolri con umento nell generzione di energi termic ll interno del coro, senz che si bbi erò roduzione di lvoro. Se nemmeno i meccnismi comortmentli riescono mntenere l temertur del nueo costnte vviene l morte dell individuo er dnni irreversibili lle roteine dei tessuti nervosi (iertermi) o er fibrillzione crdic (iotermi). 1.1 Bilncio termico del coro umno Come en descritto, il nueo del coro umno deve essere mntenuto temertur costnte di circ 37 C er grntire l sorvvivenz dell individuo. In reltà le condizioni termiche che normlmente si riscontrno negli mbienti di vit o di lvoro sono ben differenti d quelle del nueo del coro, er cui si instur uno scmbio termico tr uomo ed mbiente che uò essere descritto rtire dl rimo rinciio dell termodinmic licto l sistem coro umno. L vrizione di energi intern, S, srà llor ri ll differenz tr il tsso metbolico, M, l netto del lvoro meccnico, W, e le disersioni termiche er convezione, C, e er evorzione,, dovute ll irzione e gli scmbi termici er convezione, C, rdizione, R, conduzione, K, ed evorzione,, ttrverso l elle: 5
( M W ) ( C + + C + R + K ) S + = (1) Comlessivmente gli scmbi vvengono quindi er mezzo dell irzione e ttrverso l suerficie del coro; er ognun delle due modlità, si uò oi distinguere un liquot ltente d un liquot sensibile (Figur 1). Per irzione - sensibile - ltente C Attrverso l elle - sensibile - ltente C, K, R Figur 1 - Scmbi termici tr coro umno ed mbiente. I termini dell equzione di bilncio, venti le dimensioni di un otenz er unità di suerficie ed essi in W m-2, srnno eslicitti nei successivi rgrfi. 1.2 Vrizione di energi intern Poiché il meccnismo di termoregolzione del coro umno tende mntenere costnte l temertur corore, si uò iotizzre che, er un esosizione sufficientemente lung in un mbiente moderto ll interno del qule veng svolt un ttività costnte, l vrizione di energi intern non si rezzbile. Se questo non si verific si uò determinre un incremento o un diminuzione dell temertur del nueo. Queste condizioni non sono eròccettbili erché otrebbero comortre effetti dnnosi ll orgnismo. 1.3 Metbolismo energetico Gli limenti e le bevnde ingeriti dll uomo vengono trsformti medinte rezioni chimiche di ossidzione; esse costituiscono il metbolismo energetico o tsso metbolico dell individuo. Le rezioni che vvengono sono revlentemente esoenergetiche cosicché l mggior rte dell energi chimic otenzile dei cibi viene trsformt in energi termic. Un rte dell roduzione di energi termic è necessri l coro umno er conservre l temertur corore e er il funzionmento degli orgni interni; quest liquot è dett metbolismo bsle ed ssume un vlore di circ 43 W m -2. L ulteriore roduzione di clore è necessri invece er le ttività dell individuo e uò vrire notevolmente secondo dell ttività svolt. L otenz metbolic conness ll ttività dell individuo viene normlmente vlutt er mezzo di tbelle (ISO, 1990). Per l vlutzione dell energi metbolic si f sesso ricorso d un unità incoerente, il met, che risult essere ri : 1 met = 50 kcl h -1 m -2 = 58,2 W m -2 6
1.4 Potenz meccnic L uomo uò essere considerto come un mcchin termic che trsform un iccol rte dell energi termic metbolic in lvoro, mentre ne rivers l mggior rte nell sorgente mbiente sotto form di clore. D ciò deriv che, nelle normli ttività, rte dell energi rodott con il metbolismo viene convertit in energi meccnic. L energi meccnic è ssunt ositiv se l uomo comie lvoro verso l mbiente mentre è negtiv nel cso oosto. Si definisce rendimento meccnico l essione: W η = M (2) in cui W è l otenz meccnic ed M è il metbolismo. Il vlore del rendimento meccnico è normlmente molto bsso (η<0.20) e risult leggermente ccente con l otenz meccnic scmbit. Per l su vlutzione si f ricorso tbelle (ISO, 1990). Dll conoscenz del rendimento meccnico si uò oi rislire ll otenz meccnic che, così come il metbolismo, risult funzione dell ttività svolt dll individuo. 1.5 Potenz termic disers nell irzione Nell irzione l ri insirt h un temertur in genere inferiore quell del nueo del coro; nel momento in cui viene esirt, ess vrà subito erò un riscldmento e srà stt sturt di umidità. D ciò deriv che ess vrà cquistto un entli ed un titolo mggiori risetto lle condizioni di insirzione cioè lle condizioni mbientli. Si h llor che lo scmbio termico connesso ll irzione uò essere considerto come l somm di due liquote: un dovut ll differenz di temertur tr l ri insirt e quell esirt (scmbio sensibile), ed un dovut ll differenz di titolo (scmbio ltente). 1.5.1 Scmbio sensibile Lo scmbio sensibile uò essere vlutto con l seguente relzione: C = c V& ex ( t t ) A ex b (3) dove: c è il clore secifico sione costnte dell ri, ri 1000 J kg -1 K -1 ; V & ex è l ortt d ri esirt, in kg s -1 ; t ex è l temertur dell ri esirt, in C; t è l temertur dell ri mbiente, in C; A b è l suerficie del coro umno nudo, in m 2. L ortt d ri esirt uò essere ess in funzione dell ttività metbolic, medinte l relzione: & V ex 6 A b = 1,43 10 M (4) 7
in cui M è esso in W m -2. Sostituendo l (4) nell (3) si h llor: C 0, M ( t ) (5) = 0014 ex t 1.5.2 Scmbio ltente Lo scmbio ltente uò essere invece esso con l relzione: ce V& = ex ( W W ) A ex b (6) dove: c e è il clore ltente di vorizzzione dell cqu ll temertur del nueo, in J kg -1 ; V & è l ortt d ri esirt, in kg s -1 ; ex W ex è il titolo dell ri esirt, in kg cqu kg -1 ri secc; W è il titolo dell ri mbiente, in kg cqu kg -1 ri secc. A b è l suerficie del coro umno nudo, in m 2. All sione di 1 tm è ossibile esrimere l quntità (W ex - W ) con l relzione (Fnger, 1970): W ex 6 W = 0,029 4,94 10. (7) in cui (P) è l sione rzile del vore d cqu nell ri, ri : RH = 100 s (8) con RH (%) umidità reltiv e s (P) sione di sturzione del vor d cqu ll temertur dell mbiente. Pertnto, sostituendo le equzioni (4) e (7) nell (6) ed iotizzndo c e =2407 kj kg -1, si h: = 1,72 10 M (5867 5 ) (9) Nell equzione (9) l quntità 5867 rent l sione di sturzione dell ri esirt, ex. Tlvolt viene llor ust l equzione: = 1,72 10 5 M ( ex ) (10) 1.6 Potenz termic disers ttrverso l elle Prte dell roduzione intern di clore viene disers verso l mbiente ttrverso l elle. Come er l otenz disers nell irzione, lo scmbio termico che vviene ttrverso l elle uò essere considerto l somm di due liquote, dte risettivmente dllo scmbio sensibile e d quello ltente. Lo scmbio sensibile srà su volt costituito d tre contributi: lo scmbio er convezione, er conduzione e er irrggimento. Lo scmbio ltente srà invece dovuto 8
ll sudorzione ed ll diffusione di vore ttrverso gli strti suerficili dell elle. 1.6.1 Scmbio er convezione L suerficie estern del coro umno si troverà normlmente d un temertur divers d quell dell ri che l circond. Ciò rovocherà uno scmbio termico er convezione che srà funzione si dell differenz di temertur tr l suerficie estern del coro bbiglito e l ri, si, trmite l conduttnz termic convettiv, dell velocità dell ri: dove: c ( t ) C = f h t f è il coefficiente di re dell bbiglimento; h c è l conduttnz termic convettiv biti-ri, in W m -2 C -1 ; t è l temertur medi dell suerficie estern del coro umno bbiglito, in C; t è l temertur dell ri mbiente, in C. Il coefficiente f, dto dl rorto tr l suerficie estern del coro umno bbiglito, A, e l suerficie estern del coro umno nudo, A b, non è mi inferiore ll unità e, in diendenz del tio di bbiglimento, uò essere clcolto in funzione dell istenz termic del vestirio, I, er mezzo dell relzione (ISO, 1995): (11) f =1,00 + 1, 97 I (12) L istenz termic dell bbiglimento viene vlutt er mezzo di tbelle (ISO, 1995) che consentono di stimre il rmetro I si direttmente, er tiiche combinzioni di ci di vestirio, oure rtire dll istenz termic dei singoli ci. Così come il met er il metbolismo, er l istenz termic dell bbiglimento è stt introdott un nuov unità di misur incoerente denomint o e ri : 1 o = 0,180 m 2 C h kcl -1 = 0,155 m2 C W -1. L conduttnz termic convettiv biti-ri uò essere invece clcolt utilizzndo, secondo del regime di convezione differenti relzioni; le iù uste sono riortte in Tbell 1. Tbell 1 - ssioni iù comunemente utilizzte er il clcolo dell conduttnz termic convettiv biti-ri. Regime quzione Fonte Convezione nturle h =,38 4 t UNI N ISO 7730 Convezione forzt v r 1 m s -1 v r > 1 m s c 2 t hc = 2,38 4 tsk t ISO 7933 h = 12, 1 UNI N ISO 7730 c v r h = 3,5 + 5, 2v ISO 7933, ISO/TR 11079 c -1 0,7 c v r r h = 8, 7 ISO 7933, ISO/TR 11079 Nell Tbell 1 il termine v r rent l velocità reltiv dell ri, che uò essere clcolt in funzione dell velocità v dell ri e del metbolismo M esso in W m -2, 9
con l equzione: v r ( 58) = v + 0,0052 M (13) 1.6.2 Scmbio er conduzione Questo termine è in genere dovuto ll otenz termic disers dl coro umno er il conttto con cori solidi quli, d esemio, gli oggetti tenuti in mno, il vimento, o, er i soggetti seduti, l sedi. L otenz disers er conduzione è comunque di difficile vlutzione e oiché l su entità è modest viene in genere trscurt. Lo scmbio conduttivo iù rilevnte, che è quello ssocito con il conttto con l sedi, viene inftti considerto nello scmbio convettivo, medinte un incremento dell istenz termic degli biti. 1.6.3 Scmbio er rdizione L mggior rte delle ttività dell uomo vviene normlmente in szi confinti in cui le temerture delle suerfici dell involucro sono sesso differenti dll temertur suerficile del coro umno. A cus di ciò si roduce uno scmbio termico er irrggimento, vlutbile con l relzione: in cui: R 4 [( t + 273 ) ( + 273) ] 4 = Ar σ ε tr A r è l re dell suerficie efficce del coro umno, in m 2 ; σ è l costnte di Stefn-Boltzmnn, ri 5,67 10-8 W m -2 K -4 ; ε è l emissività dell suerficie estern del coro bbiglito, medimente ri 0,97; t r è l temertur medi rdinte, in C, definit come l temertur uniforme di un cvità ner in cui lo scmbio termico rditivo con gli occunti risult essere ugule quello scmbito con l mbiente rele non uniforme. L re dell suerficie efficce del coro umno, definit come l re dell iù iccol suerficie intermente convess che vvolge il coro, tiene conto del ftto che, oiché il coro umno non è comletmente convesso, esso vede solo rzilmente l mbiente circostnte. L re dell suerficie efficce uò essere clcolt con l seguente relzione: (14) A = r fr f Ab (15) in cui f r, coefficiente di re efficce, è dto dl rorto fr l suerficie estern del coro bbiglito che vede l mbiente circostnte e l suerficie estern del coro bbiglito; esso è stto vlutto ri 0,696 er ersone in iedi e ri 0,725 er ersone sedute (Fnger, 1970). Qulor non fosse not riori l osizione del soggetto, er f r si ssume il vlore medio di 0,710. Sostituendo l equzione (15) nell (14), sostituendo i vlori di σ, ε e considerndo lo scmbio er unità di suerficie del coro umno si ottiene: R = 4 [( t + 273) ( 273) ] 4 tr 8 3,96 10 f + (16) 10
1.6.4 Temertur del coro umno bbiglito Nelle recedenti equzioni (11) e (16) reltive gli scmbi sensibili er convezione e rdizione è ente l diendenz con l temertur medi dell suerficie estern del coro umno bbiglito, t. ossibile tuttvi eliminre quest diendenz fcendo lcune considerzioni sullo scmbio termico secco comlessivo. Se si consider inftti il coro umno bbiglito è ossibile vlutre due differenti temerture: l temertur dell elle e l temertur dell suerficie estern degli biti. Inoltre tr l suerficie dell elle e l suerficie estern degli biti è ossibile individure uno strto di ri tr l elle e l suerficie intern degli biti ed uno strto costituito dl tessuto degli stessi biti (Figur 2). R+C H t tsk I R C biti H coro strto d'ri Figur 2 - Meccnismo di scmbio termico secco sull suerficie del coro bbiglito. I due strti oorrnno llor un istenz l trsferimento del clore sensibile roveniente dl coro. In condizioni stzionrie si uò iotizzre che lo scmbio termico sensibile ttrverso gli biti, H, egugli lo scmbio termico comlessivo er convezione, C, e er irrggimento, R, che lsci l suerficie del coro bbiglito. Si vrà llor: H = C + R (17) Il termine dovuto llo scmbio termico secco ttrverso gli biti, esso in W m -2 uò essere vlutto con l relzione: t H = sk t I (18) L istenz termic dell bbiglimento, I, tiene inftti conto inftti nche dell istenz termic oost dllo strto d ri tr l elle e gli biti. A questo unto sostituendo nell equzione (17) le equzioni (11), (16) e (18) si ottiene: 11
t sk t I = f h c 4 [ r ] 8 4 ( t t ) + 3,96 10 f ( t + 273) ( t + 273) e quindi: t = t sk I [ r ] 8 4 4 { f h ( t t ) + 3,96 10 f ( t + 273) ( t + 273) } c (19) 1.6.5 Scmbio er evorzione Lo scmbio termico ltente che si verific ttrverso l suerficie dell elle è innescto dll evorzione del sottile film liquido che si viene crere sull suerficie dell elle er effetto dell sudorzione e er effetto dell diffusione del vore negli strti suerficili dell elle. L otenz evortiv totle uò essere determint dll seguente relzione: = w sk,s R e,t (20) in cui: w è l frzione di elle bgnt; sk,s è l sione di sturzione del vor d cqu ll temertur dell elle, in P; è l sione rzile del vor d cqu nell ri, in P; R e,t è l istenz totle degli biti llo scmbio termico evortivo, in m 2 P W -1. L istenz evortiv degli biti è normlmente vlutt er mezzo di tbelle (ISO, 1995). Il contributo llo scmbio termico ltente comlessivo dovuto ll diffusione di vore ttrverso l elle è minimo, nche se il meccnismo è semre ttivo indiendentemente dll sudorzione. Tuttvi se l frzione di elle bgnt è molto bss o null, il contributo dell diffusione di vore uò essere vlutto con l relzione: in cui: d = µ c e ( ) sk,s µ è l ermenz dell elle ll diffusione del vor d cqu, in kg s -1 m -2 P -1 ; c e è il clore ltente di vorizzzione dell cqu ll temertur dell elle, in J kg -1 ; sk,s è l sione di sturzione del vor d cqu ll temertur dell elle, in P; è l sione rzile del vor d cqu nell ri, in P; Nell iotesi che l istenz dell bbiglimento ll trsmissione del vore si trscurbile risetto quell dell elle - cso che si verific er biti di ln o cotone - è ossibile ssumere er l ermenz il vlore di 1,27 10-9 kg s -1 m -2 P -1. Inoltre, ssumendo er il clore ltente di vorizzzione il vlore di 2,41 10 3 J kg -1, vlido er l temertur di 35 C, e er l sione di sturzione del vor d cqu ll (21) 12
temertur dell elle l seguente essione linere vlid nel cmo di temertur 27 37 C: 256 t 3373, (22) sk, s = sk l recedente relzione (21) uò essere scritt nell form: d = 3,05 10 3 ( 256 t 3373 ). (23) sk 1.7 quzione di bilncio Sostituendo le relzioni trovte nei recedenti rgrfi nell equzione (1) si ottiene l equzione di bilncio del coro umno, che risult essere del tio: ( M I, t,, v, t, t ) S = f,, r r sk Tle equzione leg fr loro due vribili diendenti dl soggetto (metbolismo, itenz termic dell bbiglimento), quttro vribili mbientli (temertur, umidità e velocità dell ri, temertur medi rdinte) e due vribili fisiologiche, diendenti dl sistem di termoregolzione (temertur dell elle, otenz disers er evorzione ttrverso l elle). Perché non vi si ccumulo o disersione di clore dl nueo del coro è necessrio che l vrizione di energi intern si null; si deve ertnto verificre che: (24) f ( M, I, t,, v, t, t, ) = 0 r r sk (25) Quest condizione, che consente di mntenere lo stto di omotermi del nueo, non è erò d sol sufficiente grntire il comfort termico dell individuo; è necessrio inftti che si verifichino ulteriori condizioni rigurdnti le grndezze fisiologiche er oter grntire il benessere termico. L equzione uò erò essere utilmente doert er vlutre le condizioni termiche negli mbienti severi, nei quli gli individui si trovno in condizioni di sts termico cioè in condizioni termiche lontne dl comfort. 13
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2. Ambienti severi Gli mbienti severi sono quegli mbienti in cui non otendosi rggiungere le condizioni di comfort, è necessrio reoccursi dell slvgurd dell slute degli occunti. Si distinguono in mbienti severi cldi ed mbienti severi freddi. Normlmente er vlutre se l mbiente in esme è termicmente severo, si utilizz l indice PMV (UNI, 1997): se si verific PMV>1 si consider l mbiente come severo cldo; se si verific PMV<1 l mbiente è d considerrsi severo freddo. 2.1 Ambienti severi cldi I roblemi che sorgono negli mbienti severi cldi sono legti essenzilmente l ftto che i meccnismi di termoregolzione ossono non essere sufficienti grntire l omotermi del nueo del coro; questo comort un ccumulo di energi termic ed un conseguente innlzmento dell temertur corore che uò rggiungere livelli inccettbili. Inoltre l continu ttivzione del meccnismo comortmentle dell sudorzione uò ortre squilibri idrominerli. ntrmbi questi fenomeni ossono indurre nell orgnismo effetti tologici che iù in dettglio sono ssificti come: colo di clore; deficit idrico; sincoe d cldo; deficit sodico. Il colo di cldo si verific qundo l temertur del nueo si elev oltre i 40 C. Intervengono sintomi di iertermi, scrs secrezione urinri, forte riduzione dell sudorzione, disturbi mentli, convulsioni eilettiche, congestione olmonre e tlvolt com. L intervento d tture consiste nell bbssre il iù velocemente ossibile l temertur corore medinte bgni o imcchi freddi, gendo erò in modo tle d evitre il ericolo di collsso. Contemornemente bisogn ridurre lo stto di disidrtzione fcendo ssumere liquidi ll erson colit oure, se il soggetto non è cosciente, rocedendo con iniezioni endoven di soluzioni glucoste o di oruro di sodio. Se l erdit di cqu con l sudorzione non è comenst con l ssimilzione di bevnde insorge il deficit idrico, che redisone l colo di clore. I sintomi consistono in sete, ffticmento e riduzione dell sudorzione. Per deficit oltre il 10% del eso cororeo ossono insorgere delirio e successivmente l morte. Per scongiurre queste eventulità è necessrio reidrtre il soggetto con bevnde o iniezioni endoven di soluzioni glucoste o di oruro di sodio. L sincoe d clore nsce invece dll distribuzione noml del flusso snguigno cust dl cldo. Il sngue si ccumul negli rti, sorttutto quelli inferiori e diviene insufficiente nell re celebrre. L mnct ossigenzione del cervello uò così ortre stordimento, vertigini ed infine llo svenimento, receduto d llore. L intervento d tture consiste nell mess rioso del soggetto colito in mbiente fco nell contemorne ssunzione di bevnde fche. Quest tologi è comunque meno grve del colo di clore erché non comort l bolizione dell sudorzione. Infine il deficit sodico è dovuto ll insufficiente enz di sli di sodio nell orgnismo, dovut ll loro erdit con l sudorzione. I sintomi di quest 15
tologi, che si mnifestno in genere doo diversi giorni di esosizione l cldo, sono ffticmento, stnchezz e debolezz muscolre; er deficit sodici moderti si hnno ssmi muscolri dolorosi detti crmi d clore. Quest tologi, che non è ericolos erché non redisone gli effetti del colo di clore, si risolve medinte iniezioni endoven di soluzione di oruro di sodio. Qundo si esminno gli mbienti severi cldi si è soliti distinguere i soggetti cimtti d quelli non cimtti. Un soggetto non cimtto regisce inftti gli mbienti cldi in modo iù difficoltoso risetto d un soggetto cimtto oiché quest ultimo, er motivi fisiologici, ttiv l sudorzione iù ridmente; inoltre, rità di lvoro, il soggetto cimtto h un frequenz crdic iù bss. L cimtzione, che uò essere nturle o indott, si ttu in un rco di temo di un settimn durnte l qule l erson viene ortt grdulmente i rmetri imtici tiici del luogo di lvoro. L vlutzione delle condizioni di sts termico negli mbienti severi cldi viene comunemente ffrontt medinte due rincili metodologie: quell riortt sull norm UNI N 27243 (UNI, 1996), che f uso dell indice WBGT, e quell iù rigoros dell norm ISO 7933 (ISO, 1989) che f riferimento ll indice SW. 2.2 Indice WBGT Il WBGT (Wet Bulb Globe Temerture) (UNI, 1996) è un indice emirico di temertur che viene utilizzto er l vlutzione degli mbienti termici severi cldi, derivto dlle correlzioni riscontrte serimentlmente tr rmetri microimtici e rezioni fisiologiche di un cmione numeroso di soggetti. Per l determinzione delle condizioni di sts termico ll interno di un mbiente è necessrio conoscere l temertur, l velocità e l umidità dell ri nonché l temertur medi rdinte. L indice WBGT utilizz lcune grndezze derivte d esse er crtterizzre del unto di vist termico l mbiente in esme. In rticolre esistono due relzioni er qunto rigurd il WBGT. L rim, d utilizzrsi in mbienti interni o in esterno in ssenz di rdizione solre, è: WBGT = 0.7 t + 0. 3 t, (26) nw g mentre l second, d utilizzrsi in esterno in enz di irrggimento solre, è: WBGT = 0.7 t + 0.2 t + 0. 1 t. (27) nw g Nelle recedenti relzioni t nw è l temertur di bulbo umido ventilzione nturle, t è l temertur dell ri e t g è l temertur di globotermometro. L indice WBGT è esso in grdi centigrdi. Anche se l umidità, l velocità dell ri e l temertur medi rdinte non risultno eslicitmente nelle relzioni (26) e (27), l indice WBGT diende comunque dlle tutte le quttro grndezze microimtiche recedentemente elencte; inftti l indiczione del globotermometro è funzione dell temertur medi rdinte, dell temertur dell ri e dell velocità dell ri e l indiczione del termometro bulbo bgnto è funzione dell temertur medi rdinte, dell temertur, dell umidità e dell velocità dell ri. L indice WBGT, che rent lo sts termico che l mbiente esercit sull erson, non diende né dl metbolismo, né dll bbiglimento indossto. L norm UNI N 27243 fornisce vlori limite er l indice WBGT d non suerre er evitre che il nueo del coro rggiung un temertur sueriore 38 C. I limiti 16
sono riferiti d un erson in buono stto di slute, dtt ll ttività in esme, con un istenz termic dell bbiglimento ri 0.6 o e ermebilità del vestirio ri quell degli biti di cotone. I limiti, riortti in Tbell 2, si riferiscono differenti vlori di metbolismo, rmetro legto ll ttività svolt dll individuo, e sono differenti er soggetti cimtti o non cimti; sono inoltre differenti er mbienti con ri stgnnte risetto quelli con ri non stgnnte. Tbell 2 - Vlori limite dell indice WBGT. Clsse di tsso metbolico 0 ( rioso) Tsso metbolico W/m 2 met Vlore limite WBGT Soggetti cimtti Soggetti non cimtti Ari Ari non Ari Ari non stgnnte stgnnte stgnnte stgnnte 65 1.1 33 33 32 32 1 65-130 1.1-2.2 30 30 32 32 2 130-200 2.2-3.4 28 28 26 26 3 200-260 3.4-4.5 25 26 22 23 4 >260 >4.5 23 25 18 20 2.2.1 Durt delle use di rioso Qulor l indice WBGT risulti sueriore l vlore limite è necessrio revedere delle use di rioso nei normli cii di lvoro er evitre che oss verificrsi er i soggetti esosti un ccumulo di energi termic ll interno del nueo. A tl fine l norm UNI N 27243 fornisce titolo informtivo un digrmm medinte il qule ricvre l durt dei eriodi di rioso in funzione dell otenz metbolic e dell indice WBGT (Figur 3); tle vlutzione è riferit d un intervllo temorle di un or. 35 30 50% lvoro 50% rioso 25% lvoro 75% rioso WBGT ( C) 25 75% lvoro 25% rioso 100% lvoro 20 0 100 200 300 400 Metbolismo (W/m 2 ) Figur 3 - Cii orri di lvoro/rioso er ersone cimtte l clore in condizioni di ri non stgnnte. 2.3 Indice SW req Un metodologi iù rigoros utilizzt er l vlutzione delle condizioni termiche in mbienti severi cldi è quell dell sudorzione richiest, su cui è fondt l norm ISO 7933 (ISO, 1989). 17
Il metodo quntific lo sts termico d cldo legndolo ll quntità di clore che il coro umno uò diserdere er sudorzione; il vlore di sudorzione risultnte dll liczione dell equzione di bilncio termico del coro umno deve essere tle d non fre insorgere ccumulo di energi termic ll interno del nueo. Dll liczione dell equzione di bilncio termico: S = M W C C R K, (28) nelle iotesi di ccumulo nullo ed iotizzndo trscurbile il termine dovuto ll conduzione, è ossibile ricvre l quntità di clore d diserdere con l sudorzione, : = M W C C R. (29) L temertur medi dell elle, che è un vribile indiendente del roblem, uò essere clcolt con l seguente relzione, suggerit dll stess ISO 7933: t = 30 + 0,093t + 0,045t 0,571v + 0,254 + 0,00128M 3, 57 I sk r (30) Un volt clcolt l quntità di clore d diserdere con l sudorzione è ossibile determinre l quntità orri di sudore rodott dl coro, comrendendo nche quello che in reltà non evor e non contribuisce llo scmbio termico: SW =, (31) r con SW otenz termic disers dll vorizzzione comlet del sudore rodotto ed r efficienz evortiv, che quntific l frzione di sudore che effettivmente evor; un rte del sudore rodotto inftti, gocciolndo sul coro, non contribuisce llo scmbio termico. L efficienz evortiv è clcolt nell norm ISO 7933 con l relzione: 2 w r = 1, (32) 2 in cui w rent l frzione di elle bgnt. Quest ultim quntità è definit come il rorto tr l otenz termic disers,, e il vlore mssimo dell otenz termic disers er evorzione dll elle, mx. w =. (33) mx L mssim otenz termic evortiv disers ttrverso l elle è infine ri ll quntità: mx sk,s =, (34) R e,t con sk,s sione di sturzione del sudore ll temertur dell elle, sione rzile del vor d cqu nell ri e R e,t istenz evortiv degli biti. Le vribili in recedenz definite ossono ssumere vlori diversi in rorto lle condizioni cui si riferiscono. 18
Si utilizz ertnto il termine di: richiesto (o necessrio) er indicre il vlore che l vribile deve ssumere er soddisfre l equzione di bilncio con ccumulo nullo. Si utilizz tl fine il edice req ; revisto (o rele, o effettivo) er indicre il vlore che si revede ssum l vribile nell mbiente in esme. Si indic con il edice ; limite (o mssimo) er indicre il vlore mssimo ttribuibile ll vribile in bse considerzioni fisiologiche. Si indic con il edice mx. Definite le recedenti quntità, l metodologi di clcolo revede che vengno inizilmente clcolte l ercentule di elle bgnt richiest e l sudorzione richiest, con le relzioni: req = M W C C R, w req req req = =, mx sk,s R e,t r req 2 wreq = 1, 2 req SW =. r req A questo unto i vlori clcolti devono essere confrontti con quelli limite dell Tbell 3. Tbell 3 - Vlori limite er il clcolo dell sudorzione richiest (ISO, 1989). Prmetro Soggetti non cimtti Soggetti cimtti Allrme Pericolo Allrme Pericolo Mssim frzione di elle bgnt w mx (-) 0.85 0.85 1.00 1.00 Mssim sudorzione SW mx (W m -2 ) M<65 W m -2 100 150 200 300 M>65 W m -2 200 250 300 400 Se si verific che w req <w mx e SW req <SW mx il soggetto rggiungerà l equilibrio termico e i vlori reli delle grndezze risultno ri i vlori richiesti: = req, w = w req, SW = SW req. Se invece l ercentule di elle bgnt è mggiore del vlore mssimo mmissibile (w req >w mx ) si vrà che l ercentule rele di elle bgnt srà ri ll mssim: w = w mx, che l disersione evortiv rele srà ri : 19
= w mx = w mx sk,s R e,t e che l quntità di clore effettivmente disers er sudorzione srà: SW = r con: 2 2 w wmx r = 1 = 1. 2 2 A questo unto, se l quntità di clore effettivmente disers er sudorzione è minore del vlore mssimo (SW <SW mx ) i vlori clcolti rentno i vlori reli. Se vicevers l sudorzione rele così clcolt suer quell mssim mmissibile, cioè se si verific SW >SW mx, si h: SW = SW mx SW w = = r = r mx mx SW mx mx 2.3.1 Temo limite di esosizione Nell iotesi che l sudorzione rele si inferiore quell richiest er mntenere l omotermi, si cre un ccumulo di energi ll interno del nueo; er evitre che questo oss comortre dnni ll slute del soggetto esosto, conducendo l individuo verso il colo di clore, è necessrio limitre l durt dell esosizione ll mbiente cldo. L durt dell esosizione deve essere nche limitt l fine di evitre che dl coro evori un eccessiv quntità di sudore; questo uò inftti comortre, er i soggetti esosti, l insorgere di deficit idrominerli. Il clcolo del temo limite di esosizione, DL, viene llor condotto rendendo in considerzione i due criteri. Ne deriv che il temo mssimo di esosizione, in minuti, er evitre ccumulo di clore è ri : DL Q mx 1 = 60 (35) req in cui Q mx (Wh m -2 ) è il mssimo ccumulo di energi tollerbile dll orgnismo, mentre il temo mssimo di esosizione er evitre squilibri idrominerli è ri : Dmx DL2 = 60 SW (36) in cui D mx (Wh m -2 ) è l erdit mssim giornlier di cqu dl coro. L quntità D mx uò essere ess nche in grmmi, dividendo er il clore ltente di vorizzzione del sudore. Il temo limite di esosizione d considerre srà ovvimente il minore dei due: 20
DL = min { DL DL } 1 ; 2 (37) I vlori d dottre er il mssimo ccumulo di energi e er l mssim erdit giornlier di cqu er soggetti cimtti e non cimtti e er due differenti livelli di rischio, sono riortti in Tbell 4. Tbell 4 - Vlori delle grndezze d utilizzre er il clcolo del temo limite di esosizione (ISO, 1989). Prmetro Soggetti non cimtti Soggetti cimtti Allrme Pericolo Allrme Pericolo Mssimo ccumulo di energi Q mx (Wh m -2 ) 50 60 50 60 Mssim erdit di cqu D mx (Wh m -2 ) 1000 1250 1500 2000 2.4 Ambienti severi freddi Qundo un individuo è esosto er lunghi eriodi d mbienti severi freddi, l fine di imedire il rffreddmento del nueo, l orgnismo regisce ttivndo inizilmente i meccnismi vsomotori e successivmente quelli comortmentli. Per effetto dell regolzione vsomotori ed l fine di ridurre l circolzione snguign nelle zone eriferiche del coro vviene il tringimento degli sfinteri dei cillri eriferici; qundo questo meccnismo non è iù sufficiente er grntire l omotermi ed il nueo del coro si rffredd l si sotto dei 35 C (iotermi), insorge il brivido che comort l ttivzione dei grui muscolri con generzione di energi termic senz roduzione di lvoro meccnico verso l mbiente esterno. A cus dell ffticmento muscolre conseguente, il meccnismo comortmentle del brivido non uò tuttvi rotrrsi indefinitmente. Se l temertur del nueo si ort l di sotto di 32 C subentr llor uno stto di confusione mentle che uò ortre ll erdit dell coscienz. In tli condizioni il soggetto non è iù il grdo di rendere lcun tio di rovvedimento e l ulteriore conseguente rffreddmento del coro conduce ll morte er fibrillzione ventricolre ed rto crdico. In questi csi è necessrio intervenire sul soggetto colito d sts d freddo riortndolo grdulmente condizioni termiche iù confortevoli. Il soggetto non v erò riortto reentinmente temerture iù elevte er evitre che l vsocostrizione diminuisc tlmente ridmente d fr si che il sngue, rffreddndosi nell ttrversre i tessuti freddi, ritorni l cuore bss temertur. Le condizioni di sts termico cui sono sottoosti gli individui negli mbienti severi freddi sono vlutte medinte il rocedimento contenuto nel rorto tecnico ISO TR 11079 (ISO, 1993) che utilizz l indice IRQ. Inoltre gli effetti dell esosizione l freddo delle rti non rotette del coro sono ffrontti nello stesso documento medinte l uso degli indici WCI e t ch. 2.5 Isolmento richiesto, IRQ Prtendo dll considerzione che un deguto bbiglimento uò roteggere dl freddo, il Technicl Reort ISO TR 11079 (ISO, 1993) h dottto un indice di vlutzione dello sts d freddo denominto IRQ. sso rent l istenz termic dell bbiglimento in grdo di mntenere indefinitmente in condizioni di omotermi un soggetto sottoosto ll mbiente in esme. L indice IRQ si bs sull nlisi degli scmbi termici tr soggetto ed mbiente e viene clcolto rtendo dll equzione di bilncio termico del coro umno: 21
S = M W C R C K (38) Dll equzione (38) iotizzndo nulli il termine di ccumulo e quello conduttivo si h: R + C = M W C (39) Inoltre, è ossibile esrimere lo scmbio secco H con l relzione: t H = R + C = sk t I (40) A questo unto onendo I =IRQ nelle equzioni (39) e (40) si ottiene un sistem di due equzioni nelle incognite t e IRQ: M W C = R + C tsk t IRQ = M W C (41) Il sistem v risolto in modo itertivo oiché si il termine convettivo che quello rditivo diendono dl coefficiente d re dell bbiglimento, su volt funzione dell istenz termic del vestirio. L temertur dell elle e l ercentule di elle bgnt risultno vribili indiendenti del roblem cui vengono ssegnti dei vlori in bse considerzioni di crttere fisiologico. A tl fine vengono definiti due livelli er qunto rigurd l indice IRQ: l IRQ min e l IRQ neu. Il rimo vlore è riferito condizioni di sts termico elevto, l limite di ttivzione del brivido, mentre il secondo f riferimento condizioni di sts termico moderto, l limite inferiore dell neutrlità termic. L IRQ min individu llor il minimo isolmento termico richiesto er mntenere l equilibrio termico del nueo del coro l limite dell ttivzione del meccnismo comortmentle del brivido, mentre l IRQ neu rent l isolmento termico richiesto er mntenere condizioni di neutrlità l limite di ttivzione dell ttività vsomotori. I vlori dell temertur dell elle e dell ercentule di elle bgnt d imorre nell equzione (41) ossono essere llor ssegnti in corrisondenz lle condizioni limite di neutrlità termic e di ttivzione del sistem termoregoltorio comortmentle. Tli vlori sono riortti in Tbell 5. Tbell 5 - Vlori dell temertur dell elle e dell ercentule di elle bgnt d utilizzre er il clcolo isolmento termico richiesto dell bbiglimento. Condizione Temertur dell elle t sk ( C) Percentule di elle bgnt w (-) sts termico elevto 30 0,06 sts termico moderto 35,7 0,0285M [ 3,05( 0,256t 3,373 ) + 0,42( M 58) ] sk sk,s R e,t 22
2.5.1 Temo limite di esosizione Qundo l isolmento termico dell bbiglimento indossto è minore dell isolmento richiesto (I < IRQ), l esosizione ll mbiente severo deve essere limitt nel temo, er evitre un rffreddmento del nueo. Tuttvi si uò ccettre che un iccol riduzione di energi intern del coro umno oss essere tollert er un esosizione che si rotrgg er un temo limitto; l durt mssim di esosizione, DL, uò llor essere ricvt dll seguente relzione: Q DL = S lim (42) in cui Q lim (Wh m -2 ) è l diminuzione ccettbile di energi intern del coro umno ed S (W m -2 ) è l vrizione effettiv di energi intern nell unità di temo er un soggetto nelle condizioni imtiche dell mbiente severo in esme e con un isolmento termico dell bbiglimento ri I. Nell equzione (42), secondo qunto riortto sul Technicl Reort ISO TR 11079, si ssume un diminuzione ccettbile di energi intern ri 40 Wh m -2, mentre l vrizione effettiv di energi intern viene clcolt rtire dl sistem di equzioni: S = M W C t = tsk I R C ( M W C S) (43) Trscorso il temo limite di esosizione è necessrio interromere l esosizione ll mbiente severo e il soggetto deve essere trsferito in un mbiente in cui si ossno ristbilire le condizioni di neutrlità termic. 2.6 Indice WCI Per l vlutzione del rffreddmento rovocto dll esosizione l freddo di rti non rotette del coro umno si utilizz l indice emirico WCI (Wind Chill Index), che rent il flusso termico diserso nell mbiente rele d un cilindro l cui suerficie estern si trov ll temertur di 33 C. L equzione er il clcolo del WCI è l seguente: ( 10,45 + 10 v v ) ( t ) WCI =,16 33 1, (44) r r in cui v r è l velocità reltiv e t è l temertur dell ri. Alterntivmente ll indice WCI viene utilizzt l Chilling Temerture, t ch, che rent l temertur di un mbiente fittizio, con velocità dell ri ri 1,8 m s -1, in cui si riscontr lo stesso rffreddmento rodotto nell mbiente rele. L su essione è l seguente: t. (45) ch = 33 WCI 25,5 Nell Tbell 6, trtt dl Technicl Reort ISO TR 11079, sono riortti gli effetti ttesi sulle rti esoste er lcuni vlori di WCI e t ch. 23
Tbell 6 - Wind Chill Index, Chilling Temerture e corrisondenti effetti sulle rti esoste del coro. Wind Chill Index Chilling Temerture WCI (W m -2 ) t ch ( C) ffetti 1200-14 Molto freddo 1400-22 Freddo rigido 1600-30 1800-38 Le rti esoste congelno entro 1 or 2000-45 2200-53 Le rti esoste congelno entro 1 minuto 2400-61 2600-69 Le rti esoste congelno entro 30 secondi 24
Bibliogrfi Fnger (1970). Therml comfort. McGrw-Hill, Dnish Technicl Ps. Coenhgen. ISO (2001). ISO/FDIS 13731. rgonomics of the therml environment - Vocbulry nd symbols. Interntionl Stndrd Orgniztion, Genev. ISO (1995). ISO 9920. rgonomics of the therml environment stimtion of the therml insultion nd evortive istnce of othing ensemble. Interntionl Stndrd Orgniztion, Genev. ISO (1993). ISO/TR 11079. vlution of cold environments Determintion of required othing insultion (IRQ). Interntionl Stndrd Orgniztion, Genev. ISO (1990). ISO 8996. rgonomics Determintion of metbolic het roduction. Interntionl Stndrd Orgniztion, Genev. ISO (1989). ISO 7933. Hot environments Anlyticl determintion nd interrettion of therml sts using clcultion of required swet rte. Interntionl Stndrd Orgniztion, Genev. UNI (1997). UNI N ISO 7730. Ambienti termici moderti Determinzione degli indici PMV e PPD e secific delle condizioni di benessere termico. Unificzioni Itline, Milno. UNI (1996). UNI N 27243. Ambienti cldi. Vlutzione dello sts termico er l uomo negli mbienti di lvoro, bst sull indice WBGT (temertur bulbo umido e del globotermometro). Unificzioni Itline, Milno. 25