Patologia Edilizia e diagnostica
Misure varie
prof. Enrico De Angelis
Misurare lo stato di benessere?
2
Misure dirette:
intervista e tecniche/protocolli messi a punto da psicologi per non farsi
“prendere in giro: PERCENTUALE DI INSODDISFATTI di una
popolazione statistica
Misure indirette:
Comportamento (frequenza della …. delle palpebre, irascibilità)
Parametri fisiologici (pressione arteriosa, frequenza cardiaca)
Produttività sul lavoro (giorni di assenza, unità di lavoro prodotto,
tempo di realizzazione di un prodotto …
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
I fattori ambientali
3
Sono “misure” dello stato dell’ambiente confinato, “medie” spaziali,
valutazioni locali, medie temporali …
Si parte dalla fisiologia della sensazione:
Come l’orecchio “sente”
Come l’occhio “vede”
Come il naso percepisce gli odori
Come il nostro corpo, la nostra pelle, percepisce il caldo e il freddo
In altri termini si costruisce il modello di percezione.
Poi come orecchio, occhio, naso, eccetera trasferiscano informazioni al
sistema nervoso centrale e come questo le elabori, magari adattando il
corpo in generale (o solo i “sensori biologici”) alle particolari condizioni
ambientali in cui si trovano
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Il modello del benessere
4
Una condizione mentale, una sensazione, complicati come siamo,
non può essere oggettiva.
Il benessere dipenderà, oltre che dalle condizioni ambientali di
stimolo:
Da fattori fisiologici, quali lo stato di salute, la corporatura, l’età, il
sesso, fattori oggettivi
Da fattori comportamentali, quali il vestiario, il metabolismo …
Da fattori sociali, correlabili ad un uso di un gruppo di persone più
o meno ampio
Da fattori psicologici quali la personalità o l’umore.
Tutti questi fattori sono fortemente correlati e magari pure sovrapposti:
psico-fisiologici, socio-comportamentali …
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Comfort surveys
5
J.M. Shultz et al.,
“The Rockwool
Intern. SA low energy
office building …”, in
Building Phys. 2002
Nordic Symp
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
6
Nicol 2005, Build. Res. & Information
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Valutazione del comfort …
G.F.Menzies et al., Windows in the workplace …” Energy and Buildings
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
7
Misura dell’umidità
8
La determinazione del contenuto d'acqua interessa molti settori e sono
state sviluppate moltissime tecniche per la sua misura, basate sui
diversi principi chimici e fisici per cui la variazione di tale parametro
produce modifiche nelle caratteristiche della sostanza che la contiene:
1. Strumenti per determinazione della massa d'acqua contenuta in
sostanze solide
2. Igrometri per la misura della quantità di vapore contenuta nell’aria
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Metodo della pesata
9
Il metodo più semplice e antico
(molto qualitativo):
alcuni materiali (come la bambagia, usata da Leonardo)
assorbono (ADSORBONO) facilmente l’acqua presente nell’aria.
Assorbendo acqua questi aumentano il proprio peso
ponendo su uno dei piatti della bilancia la sostanza campione
prima e dopo un certo tempo, si verifica di quanto è aumentato il
suo peso
un’applicazione più moderna è un tubo con due griglie laterali, al
cui interno vengono posti cristalli di gel di silice o di acido
solforico anidro
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Igrometro a capello
10
E’ uno dei metodi più antichi utilizzati
per misurare l’umidità dell’aria:
la lunghezza del capello varia in
funzione dell’umidità ambiente
Questa variazione è messa in
relazione con l’umidità relativa
utilizzando misure di lunghezza.
Il capello può essere sostituito da fibre
sintetiche più o meno affidabili
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Specchio: igrometro a condensazione
11
Uno specchio viene raffreddato finché non comincia a formarsi
condensa sulla sua superficie. Monitorando la formazione della
condensa è possibile misurare il punto di rugiada.
Vantaggi
• Ampio campo di misura
• Elevata precisione
Svantaggi
• Metodo lento e costoso
• Pesante (non portatile)
• E’ richiesta una misura della
temperatura a elevata precisione
• Tempo di adattamento lento
• Grossi strumenti da banco
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Metodi capacitivi
12
Un condensatore cambia la sua capacità elettrica in
funzione dell’umidità che contiene. Ponendoli a contatto
con la sostanza interessata ne assorbono proporzionalmente al contenuto di quest’ultima …
I sensori capacitivi erano considerati poco affidabili e
instabili. Ora sono stati approvati a livello
internazionale, affermandosi nella tecnologia di misura
industriale
Vantaggi
Misure economiche, rapide e precise (fino a
±1%UR)
Ampio campo di misura (da 0 a 100 %UR, da -40 a
+180°C)
Strumenti piccoli e portatili
Svantaggi: Quasi nessuno
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Sensore capacitivo per UR aria
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
13
Acqua presente in un solido
14
Non tutta l’acqua presente in un solido è “misurabile”:
Acqua libera: acqua legata alle altre molecole del materiale da
forze deboli di adsorbimento, in equilibrio con l'atmosfera
ambiente, per effetto della sua tensione di vapore. Per eliminarla è
sufficiente riscaldare il materiale al di sopra del suo punto
d'ebollizione (100-105 °C)
Acqua legata: molecole legate più fortemente alla matrice,
allontanabile a T >130 °C: trattenuta per effetto c apillare od
osmotico, di solvatazione, occlusa entro il reticolo cristallino.
Acqua di cristallizzazione: fa parte del reticolo cristallino, con
legami di coordinazione, e' allontanabile solo ad alta temperatura
(>300 C).
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Altri misuratori elettrici
15
Altri misuratori valutano come un materiale cambia le
sue caratteristiche elettriche (capacità, resistenza,
impedenza) al variare del suo contenuto d’acqua. Per
ogni materiale ci sono curve di correlazione della
misura. Si tratta di sistemi meno precisi ma utili per
rapide valutazioni relative, per esempio di come varia il
contenuto d’acqua nel materiale (omogeneo).
Moisture levels in wood.
Range: 6 to 44%
Accuracy ±1%
Othen building materials
(plaster, concrete)
Range: 0.2 to 2%
Accuracy ±0.05%
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Temperatura
16
I principali strumenti per la misura della temperatura:
Termocoppie
Termoresistenze (a filo metallico)
Termistori
Termometri a liquido
Termometro bimetallico
Transistori
Infrarossi
Vi sono altre modalità di misura della temperatura che si basa sulla
variazione di proprietà di gas, solidi e liquidi
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Misurabilità della temperatura
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
17
Termometri a liquido
18
Sono i più diffusi: un cilindro di vetro sottile unito ad un bulbo che
contiene un liquido la cui dilatazione termica per unità di volume è
conosciuta (e possibilmente costante al variare della temperatura). Al
variare della temperatura il liquido nel bulbo varia il suo volume e
questa variazione viene evidenziata in termini di risalita del liquido nel
capillare (piccole variazioni di volume – grando variazioni dell’altezza
del liquido.
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Termometri bimetallici
19
Il principio:
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Termoresistenze (RTD)
20
La maggior parte dei metalli aumenta la propria resi-stività elettrica
quando aumenta la loro temperatura, in maniera perfettamente
reversibile.
Alcuni metalli “nobili” come il platino e il nickel offrono a tale proposito
un comportamento ideale in ampi range di temperatura. Con questi –
ed altri – materiali si fanno le termoresistenze.
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Termistori
21
Un’altra resistenza, attraverso la quale passa una cor-rente data. Si
misura la differenza di potenziale, senza complicazioni del ponte di
Weatstone, e la si correla ad un valore di temperatura.
Meno affidabile come misura, assolutamente non lineare ma molto più
semplice da utilizzare e meno costosa
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Termocoppie
22
Effetto dell’accoppiamento di due metalli: si genera una tensione
(molto piccola) che varia al variare della temperatura, in maniera
fortemente riproducibile.
Se due giunzioni in serie dello stesso metallo si trovano a temperature
diverse, si può generare una differenza di potenziale netta.
Il principio può essere utilizzato per misurare differenze di temperatura
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Termometri a infrarossi (pirometri)
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
23
Visione infrarossa
24
Le termografie servono pricipalmente a identificare le eventuali
anomalie della struttura di un oggetto, altrimenti evidenziabili con prove
distruttive (occulte)
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Termovisione
Patologia edilizia e diagnostica
25
Enrico De Angelis
Gradiente di temperatura
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
26
Utilizzo “diagnostico” della lettura delle
temperature via emissione IR
Un'applicazione interessante dell'infrarosso è per valutare la corretta
irrigazione di vasti campi agricoli e stabilire così l'efficacia degli
impianti di irrigazione evitando stress alle colture dovuto alla cattiva
irrigazione del terreno.
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
27
Altre questioni diagnostiche
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
28
Termometro a bulbo umido
Igrometro di Assman (Psicrometro)
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
29
Termoigrografo
Patologia edilizia e diagnostica
30
Enrico De Angelis
Globotermometro
31
Misura la temperatura operante per una sfera di diametro di una decina
di centimetri … è la maniera più semplice per misurare indirettamente
la Tmr ed è direttamente correlabile con la temperatura operante per il
corpo umano..
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
L’aria (umida)
32
L’aria è una miscela di gas. Lo stato di questa miscela è caratterizzato
da una temperatura (T), da una pressione (p) considerata la somma
delle pressioni parziali di ciascun gas e da una concentrazione (n/V),
parametri tra loro corre-lati mediante la legge dei gas perfetti:
p = n/V R T
L’umidità, il vapore acqueo, non è il suo componente principale ma
quello soggetto alla sua maggiore variabilità. La cosa ci interessa, in
CAT, per l’influen-za di questa variabilità sul comfort termico e sul
costo energetico di climatizzazione che esso determina.
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
L’aria umida
33
La temperatura dell’aria, quella misurata con un semplice
termometro, per distinguerla da quella che misuriamo con il
metodo del bubo umido, è chiamata:
TEMP. A BULBO SECCO
Tbs
Oltre che da T e p, lo stato dell’aria deve essere caratterizzato dal
suo contenuto di vapore:
UMIDITA’ SPECIFICA
x=mH20(θ)/maria secca
UMIDITA’ RELATIVA:
pv/ps (simboli: UR opp. RH),
normalmente in %
rivedremo il tutto quando parleremo di QUALITA’ dell’aria e di
VENTILAZIONE
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Il diagramma psicrometrico
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
34
Per calcolare la Trugiada
35
Conosco UR e Taria, posso calcolare la pressione di vapore:
La pressione di saturazione, si calcola:
p sat
 17,269 ⋅ Td
= 610,5 ⋅ exp
 237,3 + Td



Taria≥0
p sat
 21,875 ⋅ Td
= 610,5 ⋅ exp
 265,5 + Td



Taria<0
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Per calcolare la Trugiada
36
Conoscendo la pressione di vapore, posso calcolare la temperatura di
rugiada con la formula inversa
 p sat 
237,3 ⋅ log

610,5 

Td =
 p sat 
17,269 − log

 610,5 
psat≥610,5
 p sat 
265,5 ⋅ log

610,5 

Td =
 p sat 
21,875 − log

 610,5 
psat<610,5
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Trasformazioni dell’aria
37
TEMPERATURA
DI RUGIADA
Patologia edilizia e diagnostica
Raffreddamento e riscaldamento semplici
Enrico De Angelis
Trugiada diverse per diverse UR
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
38
Trasformazioni dell’aria
TEMPERATURA A
BULBO UMIDO
Patologia edilizia e diagnostica
Umidificazione adiabatica
Enrico De Angelis
39
Calcolo UR da Tbs e Tbu
Patologia edilizia e diagnostica
40
Enrico De Angelis
Umidificazione isoterma
Patologia edilizia e diagnostica
41
Enrico De Angelis
Miscelazione
Patologia edilizia e diagnostica
42
Enrico De Angelis
Per costruire il grafico …
43
Abbiamo bisogno di ricordarci alcune cose:
Absolute humidity (umidità assoluta o concentrazione di vapore):
mw=Mw/V (g/m3)
Specific humidity (umidità specifica): x=Mvap/(Mvap+ Maria secca)
Saturation pressure (pressione, in Pascal):
the maximum partial vapour pressure at a given T
Umidità relativa relative “distance” of vapour pressure from
saturation: UR= pvap/psat (%)
Ricordiamoci la legge dei gas perfetti
Numero di moli n, pressione p e volume V sono legati alla
temperatura assoluta di un gas perfetto secondo la ben nota legge:
• p·V=n·R·T
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Per costruire il grafico …
44
Se conosco T posso calcolare psat. Se conosco UR posso calcolare sia
mw che x, tenendo conto del fatto che paria (totale) = 101325 (Pa)
Pair,dry·V=nair, dry·R·T
(R=8,3145 J/K·mol)
pvapour·V=nwater·R·T
NB: massa molecolare: µwater=18, µair,dry=28,9 (media)
In pratica, il contenuto di vapore nell’aria m dipende dalla temperatura
assoluta T e dalla pressione di vapore:
mv =
Patologia edilizia e diagnostica
µ v ⋅ nv
V
pv
18
=
⋅
8,3145 T
Enrico De Angelis
Costruzione del diagramma psicrometrico: psat(θ
θ)
45
UNI EN ISO 13788
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Il grafico psat(θ) con le UR
46
13000
12000
11000
10000
9000
Pvap (Pa)
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
Tbs (DBT) (°C)
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
40
50
Umidità assoluta e specifica
Massa
Massa
N di moli
molecolare
Mv
µ v ⋅ nv
=
x=
M as µ as ⋅ nas
Aria secca
47
Aria secca e vapore
occupano lo stesso volume
ed hanno la stessa T
V
18 ⋅ pv ⋅
pv
⋅
R
T
=
= 0,62198 ⋅
V
p as
28,9 ⋅ p as ⋅
R ⋅T
Massa molecolare
media dell’aria
p sat (T )
x = 0,62198 ⋅
⋅ UR
p as
Pressione dell’aria secca=
=pressione totale meno
pressione vapore
pv
p sat (T ) ⋅ UR
x = 0,62198 ⋅
= 0,62198 ⋅
ptot − pv
ptot − p sat (T ) ⋅ UR
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Altri ricordini umidi
48
ENTALPIA DELL’ARIA UMIDA
H = Has + Hv = mas·cp,as·T + mw·(λ+cp,w·T)
ENTALPIA SPECIFICA DELL’ARIA UMIDA
h = 1,006 T + x·(2501 + 1,875·T) [kJ/kgas]
calore specifico aria secca
calore specifico vapore
(attenzione, varia per T)
calore specifico di vaporizzazione,
anche questo varia al variare di T
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Altri ricordini umidi
49
La formula dell’entalpia, essendo predominante il secondo termine
rispetto al terzo, per la variabilità di temperature e di titolo che ci
interessano, assomiglia a quella di un piano nello spazio (h, x, T). Se
imponiamo
h = 1,006 T + x·(2501 + 1,875·T) = COSTANTE
Possiamo eguagliare l’entalpia in condizioni di UR=100% a quella
UR=0% e trovare due punti per cui passa questa quasi retta:
Primo punto: (T, x=621,98 ·psat/(patm-psat))
Secondo pt: (T+∆T, x=0)
Dove ∆T = x·(2501 + 1,875·T)/1006 (per x in g/kgas)
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Il grafico psat(θ) con le UR
50
13000
12000
11000
10000
9000
Pvap (Pa)
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
Tbs (DBT) (°C)
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
40
50
Umidità assoluta e specifica
Massa
Massa
N di moli
molecolare
Mv
µ v ⋅ nv
=
x=
M as µ as ⋅ nas
Aria secca
51
Aria secca e vapore
occupano lo stesso volume
ed hanno la stessa T
V
18 ⋅ pv ⋅
pv
⋅
R
T
=
= 0,62198 ⋅
V
p as
28,9 ⋅ p as ⋅
R ⋅T
Massa molecolare
media dell’aria
p sat (T )
x = 0,62198 ⋅
⋅ UR
p as
Pressione dell’aria secca=
=pressione totale meno
pressione vapore
pv
p sat (T ) ⋅ UR
x = 0,62198 ⋅
= 0,62198 ⋅
ptot − pv
ptot − p sat (T ) ⋅ UR
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
Il grafico mv,sat(θ)
52
90
80
70
mH2O (g/m3)
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
Tbs (DBT) (°C)
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
30
35
40
45
50
Il grafico xsat(θ)
53
100
90
80
70
x (g/kg)
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
Tbs (DBT) (°C)
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
40
50
Ingrandiamo il grafico
54
30
25
x (g/kg)
20
15
10
5
0
0
10
20
30
Tbs (DBT) (°C)
Patologia edilizia e diagnostica
Enrico De Angelis
40
50