LA TERMOGRAFIA NELLA VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO IN AMBIENTI SCOLASTICI CON LA PARTECIPAZIONE DEGLI STUDENTI Antonella TUNDO ricercatrice ENEA DTE SEN SCC Dipartimento Tecnologie Energetiche - Divisione Smart Energy Laboratorio «Smart Cities & Communities» Affidabilità e Tecnologie 10 a edizione Torino, 20-21 aprile 2016 Sessione specialistica «Manutenzione e processi : i metodi termici per la caratterizzazione meccanica dei materiali e della loro integrità»
LA TERMOGRAFIA NELLA VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO IN AMBIENTI SCOLASTICI CON LA PARTECIPAZIONE DEGLI STUDENTI ENEA DTE (Dipartimento Tecnologie Energetiche) Divisione SEN (Smart City Energy ) Laboratorio SCC (Smart City and Community) Attività in corso.. Progetto PAR D.7 Smart community d.2 Smart school community sperimentazione su una scuola per l anno 2015 PROGETTO Smart School and Community per il Liceo Scientifico Enrico Fermi - BARI Ambito: Alternanza Scuola - Lavoro ( Lg 107-2015) Insieme Scala di sensazione termica (standard ASHRAE)
LA TERMOGRAFIA NELLA VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO IN AMBIENTI SCOLASTICI CON LA PARTECIPAZIONE DEGLI STUDENTI I progetti ENEA «Smart Cities» Monitoraggio ambientale; monitoraggio energetico e diagnostica remota di rete di edifici pubblici. Illuminazione e monitoraggio mobilità pubblica. Monitoraggio ambientale; monitoraggio energetico e diagnostica remota di rete di edifici pubblici. Partecipazione attiva e sociale dei cittadini Smart Village alla sede ENEA di Casaccia (Roma) City 2.0, uno Smart Ring a L Aquila RES NOVAE, lo show room a Bari Networks Europei
VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO IN UN AMBIENTE CONFINATO MODERATO IL PMV (PREDICTED MEAN VOTE) E UN INDICE ADIMENSIONALE CHE DESCRIVE LE CONDIZIONI DI COMFORT SULLA BASE DELLE VALUTAZIONI SOGGETTIVE DI UN GRUPPO DI PERSONE IN UN DATO AMBIENTE (VALORE MEDIO) IL PMV ESPRIME LA SENSAZIONE TERMICA ATTRAVERSO UNA SCALA A SETTE PUNTI CHE VA DA -3 ( MOLTO FREDDO) A + 3 (MOLTO CALDO) ATTRAVERSO 0 (NEUTRALITA TERMICA) ANCHE QUANDO PMV = 0, CI SARA COMUNQUE UNA PERCENTUALE DI INSODDISFATTI (PREDICTED PERCENTAGE DISSATISFIED O PPD) SCALA DELLA SENSAZIONE TERMICA 3 molto caldo 2 caldo 1 leggermente freddo 0 nè caldo nè freddo -1 leggermente freddo -2 freddo -3 molto freddo Scala di sensazione termica (standard ASHRAE)
VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO IN UN AMBIENTE CONFINATO MODERATO Attivita metabolica in funzione delle diverse attivita MET 1,2 STARE IN PIEDI RILASSATI. MET 9,5 ALUNNO/A STARE DISTESI E RIPOSATI STARE SEDUTI E RILASSATI STARE IN PIEDI RILASSATI Attivita' sedentaria (ufficio, scuola, lab) GUIDARE AUTO STARE IN PIEDI: attività leggera (shopping, laboratorio..) INSEGNAMENTO CURA QUOTIDIANA (BARBA, VESTIRSI, LAVARSI) CAMMINARE IN PIANO (2 Km/h) STARE IN PIEDI: attività media ( lavoro domestico, commesso) STARE IN PIEDI: lavare i piatti LAVORO DOMESTICO PESANTE (lavare pavimento, stirare) CAMMINARE IN PIANO (5 Km/h) SPORT: pattinaggio SPORT : sciare SPORT: CORSA ( 15 KM/h ) Smart school community ATTIVITA' METABOLICA 1 MET = > 58, 15 W/M 2 DI SUPERFICIE CORPOREA SUPERFICIE CORPOREA ADULTO => 1,78 M 2 RIFERIMENTO ALLA NORMA UNI EN 7730 (2006) ATTIVITA' SVOLTA SPORT CORSA (15 Km/h) UNI EN ISO 8996: 2005 Ergonomia dell ambiente termico: Determinazione del metabolismo energetico DATA W/M 2 46 58 70 70 80 93 95 100 110 116 145 170 200 360 405 550 MET 0,8 1 1,2 1,2 1,4 1,6 1,6 1,7 1,9 2 2,5 2,9 3,4 6,2 7 9,5
VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO IN UN AMBIENTE CONFINATO MODERATO La resistenza termica dell abbigliamento Generalmente viene espressa con il clo: 1 clo = 0,155 m 2 C/w Esempi di combinazione di abbigliamenti tipici: Corpo nudo: 0 clo Soggetto con vestito estivo: 0,3-0,6 clo Soggetto con vestito invernale: 0,7-1,2 clo Vestito pesante con soprabito: 1,8 clo Smart school community RESISTENZA TERMICA DELL'ABBIGLIAMENTO RIFERIMENTO ALLA NORMA UNI EN 7730 (2006) ALUNNO/A DATA I CLO TOT= Σiclo DESCRIZIONE DEGLI INDUMENTI CLO I CLOm C/W I clo TOT ESEMPIO PRIMAVERA / ESTATE CALZE LUNGHE LEGGERE 0,1 0,016 0,1 CALZE ALLA CAVIGLIA LEGGERE 0,05 0,008 BIANCHERIA PARTE CALZINI LEGGERI 0,02 0,003 INFERIORE DEL COLLANT 0,03 0,005 CORPO SLIP 0,03 0,005 0,03 0,19 BOXER 0,04 0,006 REGGISENO 0,01 0,002 0,01 MAGLIETTA SENZA MANICHE 0,06 0,009 BIANCHERIA PARTE 0,04 SUPERIORE DEL T-SHIRT 0,09 0,014 0,09 CORPO MAGLIETTA A MANICHE LUNGHE 0,12 0,019 SOTTOVESTE DI NYLON 0,14 0,022 0,11 CAMICIA A MANICHE CORTE 0,19 0,029 CAMICIA A MANICHE LUNGHE LEGGERA 0,15 0,023 CAMICIE-BLUSE CAMICIA A MANICHE LUNGHE 0,25 0,039 0,05 CAMICIA DI FLANELLA A MANICHE LUNGH 0,3 0,047 BLUSA A MANICHE LUNGHE COLLO ALTO 0,34 0,053 PANTALONI CORTI 0,11 0,009 0,02 JEANS 0,25 0,039 PANTALONI LEGGERI LUNGHI 0,2 0,031 ΣIclo PANTALONI PANTALONI NORMALI 0,25 0,039 0,25 0,41 PANTALONI DI FLANELLA 0,28 0,043 TUTE TUTA DA GINNASTICA 0,28 0,043 AUTUNNO /INVERNO GILET 0,12 0,019 MAGLIONE LEGGERO 0,2 0,031 0,2 FELPA 0,2 0,031 0,2 MAGLIONI-FELPE MAGLIONE CLASSICO 0,28 0,043 MAGLIONE PESANTE 0,35 0,054 0,35 MAGLIONE A COLLO ALTO LEGGERO 0,26 0,04 GIACCA ESTIVA 0,25 0,039 GIACCA INVERNALE 0,35 0,054 CAPPOTTI-GIACCHE 0,04 CAPPOTTO 0,6 0,093 GIACCA A VENTO (PIUMINO) 0,55 0,085 GUANTI GUANTI 0,05 0,008 0,28 MINIGONNA (15 CM SUL GINOCCHIO) 0,1 0,016 NNA LEGGERA (15 CM SOTTO IL GINOCCH 0,18 0,028 GONNE- ABITI ABITO LEGGERO ESTIVO, SENZA MANICHE 0,25 0,039 0,04 ABITO INVERNALE, MANICHE LUNGHE 0,4 0,062 SCARPE (SUOLA SOTTILE) 0,02 0,003 SCARPE SCARPE (SUOLA SPESSA) 0,04 0,006 0,04 0,05 STIVALI 0,1 0,016 DI LEGNO, DI METALLO 0 0 0 ΣIclo SEDIE RIVESTITA CON STOFFA IMBOTTITA 0,1 0,016 0,1 0,96 0,82
LE NORME TECNICHE PER LA VERIFICA DI COMFORT TERMICO GLOBALE E LOCALIZZATO: PROCEDURE E STRUMENTI Ambienti moderati UNI EN ISO 7730:2006 «Ergonomia degli ambienti termici - Determinazione analitica e interpretazione del benessere termico mediante il calcolo degli indici PMV e PPD e dei criteri di benessere termico locale»: questa norma presenta metodi per prevedere la sensazione termica globale ed il grado di disagio (insoddisfazione termica) delle persone esposte in ambienti termici moderati. Consente la determinazione analitica e l'interpretazione del benessere termico mediante il calcolo del PMV e del PPD e dei criteri di benessere termico locale, fornendo le condizioni ambientali considerate accettabili per il benessere termico globale così come quelle che rappresentano il disagio locale.
VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO IN UN AMBIENTE CONFINATO MODERATO CHECK- LIST secondo la norma UNI EN ISO 7730-2006: 1. CHECK 1: - 0.5 < PMV < + 0.5 (COMFORT GLOBALE) 2. CHECK 2: DR < 20 % al collo e alla caviglia 3. CHECK 3: Le differenze verticali della temperatura dell aria livello caviglia-livello testa devono essere minori di 3 C 4. CHECK 4: L asimmetria della temperatura radiante da pareti fredde deve essere minore di 10 C 5. CHECK 5: L asimmetria della temperatura radiante da soffitto caldo deve essere minore di 5 C 6. CHECK 6: La temperatura superficiale del pavimento deve essere compresa tra i 19 C ed i 29 C 7. CHECK 7: L umidita relativa deve essere compresa tra 30% e 70%
STRUMENTI DI MISURA DEI PARAMETRI FISICI PER L AMBIENTE TERMICO NORMA UNI EN ISO 7726-2002 Ergonomia dell ambiente termico Strumenti per misurare i parametri fisici La norma specifica il campo di applicabilità, le caratteristiche metrologiche degli strumenti e i metodi per la misurazione delle grandezze fisiche che caratterizzano un ambiente termico in funzione della valutazione del comfort ed in particolare della temperatura radiante
STRUMENTI DI MISURA DEI PARAMETRI FISICI PER L AMBIENTE TERMICO Nella valutazione degli indici di comfort termico in ambienti confinati moderati e nella conseguente stima di PMV e PPD gli errori di misura su t a e t r hanno pari influenza MA la misura di t r è affetta da incertezze (+/- 2 C) molto maggiori di quella di t a (+/- 0,5 C) (UNI EN 7726-2002)
STRUMENTI DI MISURA DEI PARAMETRI FISICI PER L AMBIENTE TERMICO Discostamenti ammissibili indicati nelle norme UNI EN 7726-2002
STRUMENTI DI MISURA DEI PARAMETRI FISICI PER L AMBIENTE TERMICO La maggiore tolleranza sulla misura della temperatura media radiante rende maggiormente critica quest ultima rispetto a quella della temperatura dell aria E importante dunque soffermarsi sui metodi di misura di questo parametro essenziale nel calcolo degli indici di comfort globale La temperatura media radiante è la temperatura di un ambiente virtuale caratterizzato dallo stesso scambio energetico di quello reale, termicamente disomogeneo per la presenza di varie sorgenti di diversa temperatura
STRUMENTI DI MISURA DEI PARAMETRI FISICI PER L AMBIENTE TERMICO La normativa UNI EN ISO 7726:2002 indica alcune procedure che prevedono complicati calcoli e misurazioni per la valutazione della temperatura media radiante delle pareti di un ambiente confinato. Fra i vari strumenti definiti dalla normativa ci sono: 1) Misure con il globo termometro nero 2) Metodo dei fattori di vista 3) Metodo della temperatura piana radiante o del radiometro a due sfere
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA RADIANTE Globotermometro nero (diametro standard cm 15, Ɛ = 0,95) Il principio di funzionamento è basato sullo scambio termico per irraggiamento con le varie sorgenti presenti nell ambiente e sullo scambio convettivo determinato dalla velocità dell aria (V a ) e dalla temperatura dell aria (t a ) in prossimità del globo.
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA RADIANTE Limiti dello strumento e precauzioni (B.2.3.2 B.2.3.6 UNI 7726) 1. Se l ambiente confinato presenta emissioni non omogenee sono necessarie misurazioni con almeno tre globotermometri 2. Equilibrio termico del globo si raggiunge tra i 20 a 30 3. L accuratezza della misura di t r può variare notevolmente in funzione delle caratteristiche dell ambiente 4. A causa della differenza di forma fra globo e persona, la radiazione ricevuta dal pavimento o dal soffitto è sovrastimata rispetto a una persona seduta o in piedi Ciò ha condotto all utilizzo di sensori a forma ellissoidale più prossimi alla forma della persona
STRUMENTI DI MISURA DEL WBGT - PMV - PPD Misura di WBGT (Wet Bulb Globe Temperature) Temperatura a bulbo umido e del globo termometro per l analisi di ambienti severi caldi (ISO 7243) Calcolo di PMV e PPD per ambienti moderati t nv = temperatura di bulbo umido a ventilazione naturale t g = temperatura del globotermometro t a = temperatura dell aria R h = umidità relativa V a = velocità dell aria Calcola anche: T r = temperatura media radiante Rif norme : UNI EN ISO 7726 UNI EN ISO 7243 : ambienti caldi. Valutazione dell ambiente termico nei luoghi di lavoro, basata sull indice WBGT (temperatura a bulbo umido e del globotermometro) UNI 7730 UNI EN ISO 8996
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Metodo indiretto Dei fattori di vista Calcola t r sulla base della temperatura superficiale delle pareti circostanti mediante metodi a contatto o a distanza (termometro a contatto o a radiazione) e la stima del fattore di vista tra la persona e le superfici circostanti F p-i. Se la differenza tra le temperature delle pareti è relativamente trascurabile, la formula si semplifica:
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Metodo dei fattori di vista Si divide idealmente ogni parete in quattro rettangoli determinati dalla proiezione del punto baricentrico della persona seduta (h= 0,60 m) o in piedi (h= 1,00 m) Con a e b = porzione di parete c = distanza del baricentro dalla parete
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Metodo dei fattori di vista Si divide idealmente pavimento e soffitto in quattro rettangoli determinati dalla proiezione del punto baricentrico della persona seduta (h= 0,60 m) o in piedi (h= 1,00 m) Con a e b = porzione di pavimento o soffitto c = distanza del baricentro pavimento o soffitto
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Metodo dei fattori di vista ha i seguenti vantaggi/criticità : Vantaggi: migliore accuratezza nella determinazione dei vari contributi delle diverse pareti alla temperatura media radiante Possibilità di stimare condizioni di asimmetria Criticità: Calcolo dei fattori di vista Misurazione della temperatura media superficiale delle pareti
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Metodo della temperatura piana radiante La temperatura piana radiante descrive le radiazioni provenienti dal semispazio che fronteggia la faccia dell elemento piano Lo strumento principale utilizzabile è il sensore riscaldato (radiometro netto) costituito da un disco riflettente e un disco assorbente affiancati Il disco riflettente (gold plated) scambia energia con l ambiente solo attraverso la convezione Il disco assorbente (matt black painted) scambia energia mediante convezione ed irraggiamento radiometro netto
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Metodo della temperatura piana radiante Dalla differenza tra le potenze fornite ai due dischi per mantenerli ad una data temperatura si ottiene il calcolo della temperatura piana radiante riferibile al semi-spazio posto di fronte al disco assorbente
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Metodo della temperatura piana radiante La temperatura media radiante può essere calcolata misurando la temperatura piana radiante T pr-i nelle sei direzioni dello spazio (sopra, sotto, destra, sinistra, avanti, dietro) ed i fattori di area proiettata A p-i per una persona nelle sei direzioni dello spazio secondo la relazione: Che per una persona seduta è:
UTILIZZO DELLA TERMOCAMERA PER LA MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Metodo indiretto della misura a distanza della temperatura superficiale e dei fattori di vista Rappresenta un alternativa possibile ai metodi e alle regole dettate dalla norme UNI EN ISO 7726 Criticità: Stima delle emissività delle superfici Necessità di misurare termogrammi di tutte le superfici dell ambiente Complessità della strumentazione necessaria Difficoltà nel calcolo dei fattori di vista
UTILIZZO DELLA TERMOCAMERA PER LA MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Metodo indiretto della misura a distanza della temperatura superficiale e dei fattori di vista Allo stesso tempo nella valutazione del comfort, in presenza di un numero consistente di persone (come per esempio in una classe a scuola) la domanda è relativa al metodo attraverso il quale calcolare il contributo derivante dalle singole persone
UTILIZZO DELLA TERMOCAMERA PER LA MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Misura della temperatura piana radiante della porzione di spazio oggetto della ripresa Idea della seguente ricerca è l uso della termografia per la misura della T pr intendendo la lente della termocamera come faccia dell elemento piano di fronte al semispazio Condizione preferenziale: utilizzo di sistema ottico grandangolare (tenendo in debito conto il fatto che il flusso di energia radiante che proviene dai bordi del campo di vista è molto inferiore a quello proveniente dal centro).
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Misura della temperatura piana radiante della porzione di spazio oggetto della ripresa Strumento utilizzato: Termocamera (FLIR T620) in funzione di radiometro per effettuare una stima della t pr Analisi di comfort termico con termocamera in un aula di informatica con 24 studenti:
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE Misura del PMV e del PPD Cgli studenti hano compilato una scheda di calcolo per la misura e verifica degli indici di comfort globale attraverso Le misure strumentali dei parametri ambientali La valutazione di parametri soggettivi Il calcolo delle t mr a partire dalle t pr La verifica del PMD e del PPD
CONCLUSIONI il metodo proposto è solo approssimativamente utilizzabile al posto di quelli previsti dalle norme tecniche ed è ancora da validare resta irrisolto il problema di come procedere se vi sono "molti" ostacoli nella stanza come la presenza di molte persone e di molti arredi (fra cui pc in una sala di informatica) Trovare il modo di ottenere la temperatura radiante fornita dalla lettura di tutto il fotogramma registrato dalla termocamera e che questa è tanto più vicina alla temperatura radiante piana quanto più l'obiettivo dello strumento è è grandangolare.
Grazie dell attenzione!