Comfort ambientale Piercarlo ROMAGNONI Università IUAV di Venezia pierca@iuav.it 1
COMFORT BENESSERE TERMOIGROMETRICO UNI EN 15251 Criteri per la progettazione dell ambiente interno e per la valutazione della prestazione energetica degli edifici, in relazione alla qualità dell aria interna, all ambiente termico, all illuminazione e all acustica, Febbraio 2008 BENESSERE RESPIRATORIO E OLFATTIVO BENESSERE ACUSTICO BENESSERE VISIVO 2
comfort condizione mentale che esprime soddisfazione verso l ambiente termico sensazione termica valutazione soggettiva del grado di comfort zona occupata è la regione normalmente occupata tra pavimento e 1,8 m di altezza e distante 0,6 m dalle pareti 3
stress termico ogni causa di carattere termico capace di esercitare sull organismo uno stimolo con conseguente reazione quando l accumulo di energia, interno all uomo è nullo, la sensazione termica si può definire neutra 4
Il bilancio energetico dell individuo 5
Secondo Fanger la sensazione termica è funzione della sollecitazione termica S del corpo, definita come la differenza tra la produzione interna di energia termica, per una data attività, e la perdita di calore che l'individuo avrebbe se mantenesse la temperatura della pelle θ sk e la traspirazione E t ai valori corrispondenti alle condizioni di benessere per l'attività considerata. Dall analisi dei dati sperimentali, affinché vi sia comfort, devono essere valutati i valori ottimali di: E t *=0,42A DB [M(1-η)/A DB 58,15] potenzatermica prodotta per sudorazione θ sk * =35,7 0,0275M(1-η)/A DB temperatura della pelle 6
BILANCIO DI ENERGIA DEL CORPO UMANO Il corpo umano può essere considerato come un sistema termodinamico: alimentato dal cibo produce lavoro e calore; è quindi possibile fare un bilancio di energia: S = M L Q Dove: S = accumulo di energia termica nell unità di tempo o variazione rispetto al tempo dell energia interna del corpo [W] S = c m (T 2 T 1 ) dove: c = capacità termica 3,49 kj/ kg K (T 2 T 1 ) = variazione della temperatura interna del corpo M = potenza prodotta per metabolismo [W] L = potenza meccanica dovuta all attività lavorativa [W] Il rapporto fra la potenza meccanica L e l attività metabolica è definito rendimento L η = M Q = sommatoria degli scambi di calore sensibile e latente fra uomo e ambiente [W] 7
AREA DI DU BOIS Nelle tabelle i valori del metabolismo sono espressi in W anziché in W/m 2 poiché sono riferiti alla superficie corporea A b valutata in base alla relazione di Du Bois: dove: m (kg): massa corporea h (m) altezza dell individuo Esempio: m = 70 kg h = 1,7 m A DB = 1,8 m 2 L area è legata allo scambio termico; la massa alla generazione di calore. 8
Bilancio di energia del corpo umano l'equazione di Fanger per l'equilibrio termico in condizioni di benessere M(1-η) - h cp f v A DB (θ v * - θ a ) - f eff f v A DB h rp (θ v * - θ mr *) + r Π f d A DB (1 -β)(p sk *- p a ) + 0,42 A DB [M (1-η)/A DB 58,15] m a.ve c pa (θ x - θ a )+ m a,ve r (x x - x a ) = S 9
M = produzione metabolica [W] ; η= rendimento meccanico (frazione di produzione metabolica convertita in lavoro) [-]; m a,ve = portata di massa respirata (ventilazione polmonare) [kg/s]; f v = fattore di vestiario [-]; Π = permeabilità al vapore; r = calore di vaporizzazione [J/(kg K)]; θ= temperatura [ C]; p = pressione parziale del vapore [Pa]; x = contenuto igrometrico [kg/kg as ] 10
Comfort S = 0 Variabili da cui dipende il comfort esplicitando i diversi flussi, si ottiene che, in funzione del metabolismo M, lo scambio termico è funzione di: temperatura dell aria dell ambiente, θ ; a temperatura superficiale degli abiti, che dipende dal tipo di abiti, individuato dall indice I ; cl velocità dell aria, w ; a temperatura media radiante dell ambiente, θ ; mr umidità relativa dell aria dell ambiente, UR ; a 11
non esiste un unica condizione di comfort, ma tali condizioni sono definite dalle infinite combinazioni delle sei variabili indipendenti che soddisfano il bilancio di energia del corpo umano 12
In conclusione, i parametri che influenzano gli scambi termici tra uomo e ambiente, determinando la condizione di benessere sono: - 4 parametri ambientali: Temperatura θ a dell aria Velocità dell aria v a Temperatura media radiante θ mr Umidità relativa dell aria dell ambiente U.R. - 2 parametri individuali: Resistenza termica conduttiva ed evaporativa del vestiario Dispendio metabolico correlato all attività svolta S = f (M, I cl, θ a, θ mr,v a,u.r.) 13
Un uomo adulto produce dunque, come metabolismo basale, una potenza di circa 70-80 W che è il minimo valore assunto dal termine M per un uomo adulto che dorme o che è comunque coricato a letto. 14
1 MET è la produzione metabolica M di una persona in quiete (1 M = 58,2 W/ m 2 ) nel caso di lavoro pesante M = 3 5 met 15
Resistenza termica dell abbigliamento La resistenza termica dell abbigliamento è espressa dall unità di misura incoerente: clo : 1 clo = 0,155 m 2 K/W L isolamento termico dell abbigliamento dipende da: Spessore e porosità dello strato, Superficie corporea coperta 16
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Criteri di valutazione degli ambienti: gli indici AMBIENTI MODERATI Indici comfort globale: - PMV, PPD Indici di discomfort locale: - Gradienti termici verticali ed orizzontali - Correnti d aria - Asimmetria temperatura media radiante AMBIENTI SEVERI Indici di stress (freddo): IREQ, WCI, Indici di stress (caldo): WBGT, SW req, W req, 18
Fanger: l indice di benessere Fanger ha sviluppato una metodologia per la valutazione della sensazione termica relativa a un determinato ambiente: l indice PMV (Voto Previsto Medio). Analizzando le esperienze condotte su 1300 individui, Fanger è giunto alle seguenti considerazioni: a. la sensazione termica è funzione della sollecitazione termica S del corpo, definita come la differenza tra la produzione interna di energia termica, per una data attività, e la perdita di calore che l'individuo avrebbe se mantenesse la temperatura della pelle θ sk e la traspirazione E t ai valori corrispondenti alle condizioni di benessere per l'attività considerata. b. la relazione fra l indice PMV e la sollecitazione termica S è la seguente: PMV = [0,303 exp (- 0,036 M)+0,028] S 19
Scale di gradimento del comfort L indice PPD è correlato al PMV. Il PPD esprime il numero di persone che sarebbero portate a lamentasi delle condizioni climatiche riscontrate. Viene definito soggetto insoddisfatto quello che attribuisce all ambiente in esame un valore del PMV pari a +/-3, PPD = 100-95 exp[-(0,03353 PMV 4 + 0,2179 PMV 2 )] 20
La temperatura dell aria è la temperatura dell aria che circonda il corpo umano; determina lo scambio per convezione. Precauzioni in fase di misura: - riduzione dell effetto di scambio per radiazione: riduzione dell emissione del sensore; schermatura del sensore (lamine riflettenti di 0,1 0,2 mm); aumento dello scambio convettivo - inerzia termica del sensore: La misura non andrebbe rilevata prima che sia trascorso un intervallo di tempo pari a 1,5 volte il tempo di risposta 21
La temperatura media radiante La radiazione ricevuta da una persona in un ambiente può essere determinata conoscendo le dimensioni, le caratteristiche termiche e la posizione, relativa alla persona, delle sorgenti di calore che si trovano nell ambiente. Più piccolo è il diametro del globo, maggiori sono gli effetti sulla misura della temperatura e della velocità dell aria. La superficie del globo è annerita (elevato assorbimento). 22
E definita come la temperatura uniforme di un corpo nero che scambia, per radiazione a parità di forma, con il corpo, la stessa potenza termica che effettivamente il corpo scambia con le pareti dell'ambiente La temperatura media radiante può essere valutata con ottima approssimazione se sono noti i valori delle temperature assolute T i delle N superfici che circondano il corpo, come segue: 4 mr N T = F i = 1 p i T 4 i in cui F p-i è il fattore di forma tra ciascuna superficie ed il corpo 23
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Metodo della temperatura piana radiante La temperatura media radiante può essere valutata misurando la temperatura piana radiante Tpr-i nelle sei direzioni dello spazio ed i fattori di area proiettata Ap-i per una persona nelle stesse sei direzioni dello spazio: 25
θ 2 θ 1 θ 3 θ 5 θ 4 θ 2 θ mr θ 1 θ 3 θ 4 θ 5 θ 5 26
La temperatura operante t op è la temperature uniforme di una cavità nera in cui il soggetto scambierebbe, per convezione ed irraggiamento, la stessa potenza termica effettivamente scambiata nell'ambiente reale. θ op = h er θ h mr er + h + h conv conv θ a La temperatura operante è una media pesata tra le temperature dell'aria e le temperature delle pareti. θ op = θ mr + 2 θ a Consente una valutazione maggiormente realistica degli scambi termici uomo ambiente 27
ASHRAE 55, Thermal environmental conditions for human occupancy, 1992. ASHRAE 55a, Addendum to thermal environmental conditions for human occupancy, 1995. 28
Condizioni di discomfort locale Esiste la possibilità che in alcune zone dell ambiente, le variabili che determinano il comfort subiscano delle variazioni dando luogo a fenomeni che ingenerano condizioni di discomfort locale. Le quattro principali cause di discomfort locale sono : elevata differenza verticale di temperatura, θ a pavimento troppo caldo o troppo freddo, θ p correnti d aria, DR elevata asimmetria della temperatura media radiante, θ pr,v/h. 29
Indice DR DR = [(34,0 - θ a ) (w a - 0,05) 0,62 ] [0,37 w a (Tu + 3,14)] DR = percentuale di persone insoddisfatte causa correnti d aria TU = indice di turbolenza locale dell aria 30
Asimmetria radiante 31
- pavimento troppo freddo o troppo caldo: si consiglia una temperatura tra i 20 C ed i 30 C 32
Percentuale di persone che esprimono la loro insoddisfazione relativamente all'asimmetria radiante Intervallo di accettabilità di un ambiente per persone in attività sedentaria al variare del tipo di vestiario 33
Tipo di edificio Categoria Temperatura operante [ C] Residenze: spazio giorno. Attività sedentaria 1,2 met Residenze: altri spazi. Attività 1,6 met Ufficio singolo. Attività sedentaria 1,2 met Ufficio. Attività sedentaria 1,2 met Sala conferenze. Attività sedentaria 1,2 met Auditorium. Attività sedentaria 1,2 met Cafeteria, ristorante. Attività sedentaria 1,2 met Valore minimo per riscaldamento (1 clo) Valore massimo per raffrescamento (0,5 clo) I 21,0 25,5 II 20,0 26,0 III 18,0 27,0 I 18,0 II 16,0 III 14,0 I 21,0 25,5 II 20,0 26,0 III 19,0 27,0 I 21,0 25,5 II 20,0 26,0 III 19,0 27,0 I 21,0 25,5 II 20,0 26,0 III 19,0 27,0 I 21,0 25,5 II 20,0 26,0 III 19,0 27,0 I 21,0 25,5 II 20,0 26,0 III 19,0 27,0 34
Le condizioni di accettabilità di un ambiente Grandezza Categoria A Categoria B Categoria C Condizione PPD% Condizione PPD% Condizione PPD% PMV -0,20 0,20 6-0,50 0,50 10-0,70 0,70 15 t a/1,1 t a/0,1 < 2 C 3 < 3 C 5 < 4 C 10 t pr,0,6)h < 10 C 5 < 10 C 5 < 13 C 10 t pr,0,6)v < 5 C 5 < 5 C 5 < 7 C 10 w a DR < 10 10 DR < 10 10 DR < 15 15 t p 19 29 C 10 19 29 C 10 17 31 C 15 35
Generation of pollution from occupants Sensory pollution load olf/occupant Carbon dioxide l/(h occupant) Carbon monoxide 1) l/(h occupant) Water vapour 2) g/(h occupant) Sedentary, 1-1.2 met 0% smokers 20% smokers 3) 40% smokers 3) 1 2 3 19 19 19 11 10-3 21 10-3 50 50 50 Physical exercise Low level, 3 met Medium level, 6 met high level (athletes), 10 met Children Kindergarten, 3-6 years, 2,7 met School, 14-16 years, 1-1,2 met 4 10 20 1,2 1,3 1) from tobacco smoking 2) applies for persons close to thermal neutrality 3) average smoking rate 1,2 cigarettes/hour per smoker, emission rate 44 ml CO/cigarette 50 100 170 18 19 200 430 750 90 50 36
Produzione di vapore acqueo 37
Comfort luminoso Ra = resa del colore CIE 1974 UGR = Unified Glare Rating Indice di discomfort da abbagliamento 38
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