PUNTO ENERGIA
IL BENESSERE
TERMOIGROMETRICO
Livio de Santoli, Francesco Mancini
Università “La Sapienza” di Roma
2
La termoregolazione del corpo umano
PUNTO ENERGIA
Il corpo umano è un sistema che, attraverso delle trasformazioni chimiche
complesse trasforma l’energia potenziale chimica di cibi e bevande in altre
forme di energia, con forte prevalenza di quella termica.
Tali trasformazioni costituiscono nel loro insieme il metabolismo, che può
essere quindi definito come quantità di energia chimica su unità di tempo
trasformata in potenza termica e meccanica, ed essere espressa in watt.
Il corpo umano può considerarsi suddiviso infatti in due zone caratterizzate da
temperature diverse: una esterna, la pelle, ed una interna che comprende gli
organi vitali, che deve avere una temperatura costante di 37°C circa.
La termoregolazione del corpo umano
3
PUNTO ENERGIA
Il sistema di termoregolazione è costituito da sensori sia per il freddo e per
il caldo.
I ricettori sono terminazioni nervose e risultano sensibili oltre che alla
temperatura anche alla sua velocità di variazione. Essi inviano segnali
all’ipotalamo, che li confronta con i valori di riferimento delle temperature ed
attiva qualsiasi meccanismo in grado di mantenere l’omeotermia del corpo.
Esistono due tipi di termoregolazione:
- vasomotoria (contro il caldo e contro il freddo);
- comportamentale (contro il caldo e contro il freddo).
L’energia termica generata all’interno del corpo umano viene dispersa
nell’ambiente essenzialmente attraverso la pelle:
convezione e irraggiamento e conduzione
evaporazione.
4
La termoregolazione del corpo umano
PUNTO ENERGIA
termorecettori
capillari
ipotalamo
periferici
stimoli
gruppi
muscolari
ghiandole
sudorifere
vasocostrizione
vasodilatazione
brivido
sudore
omeotermia
5
Il metabolismo del corpo umano
PUNTO ENERGIA
I processi metabolici, consistendo essenzialmente in processi di ossidazione, sono
complessivamente esoenergetici.
L’energia potenziale chimica dei cibi e delle bevande si trasforma in:
energia termica,
energia elettrica (utilizzata per la trasmissione degli impulsi nervosi e per
l’attività elettrica dei muscoli),
energia meccanica interna (utilizzata per l’attività muscolare),
sostanze di riserva, sotto forma di energia potenziale chimica.
L’energia meccanica, quella elettrica e quella chimica successivamente si
trasformano in energia termica. L’energia termica prodotta viene quindi dispersa
nell’ambiente circostante sotto forma di lavoro meccanico verso l’esterno e di
calore dissipato.
6
Il metabolismo del corpo umano
alimenti
energia elettrica
metabolismo
energia termica
lavoro
PUNTO ENERGIA
energia chimica
energia
meccanica
lavoro
lavoro
Schema delle trasformazioni energetiche nell'organismo.
7
Il metabolismo del corpo umano
PUNTO ENERGIA
Il metabolismo basale (legato esclusivamente al mantenimento dell’attività cellulare
e al funzionamento degli organi principali) di ogni individuo dipende essenzialmente da:
i cicli circadiani, il sesso, la massa e l’altezza, l’età.
un valore medio di tale valore è assunto pari a 43 W/m2.
Il metabolismo di riposo comprende le funzioni relative alla digestione, alla
termoregolazione, in completa assenza di lavoro muscolare
all’energia metabolica di riposo corrisponde un valore di circa 55-65 W/m2.
Metabolismo di lavoro (legato direttamente all’attività muscolare svolta).
L’area della superficie del corpo umano Ab è calcolata con la relazione di DuBois:
A=0,202 Wb0,425 * Hb0,725
Wb la massa corporea (kg)
Hb l’altezza corporea (m).
L’uomo standard (70 kg, 1,70 m) ha un’area della superficie corporea di 1,8 m2
8
Il metabolismo del corpo umano
PUNTO ENERGIA
L’unità di misura del metabolismo (che si indica con il simbolo M) è W/m2,
anche se esso viene spesso misurato nell’unità incoerente met, essendo:
1 met = 58,2 W/m2 = 50,0 kcal/h m2
attività
dormire
metabolismo ( met )
stare seduti
stare in piedi
attiv. leggera ( camminare )
1
1.2
attiv. media ( negozi, abitaz. )
2
attiv. pesante ( ginnastica )
3
ballare
5
0.6
1.6
9
Il benessere termoigrometrico
PUNTO ENERGIA
In condizioni di omeotermia l'energia prodotta da un individuo deve essere
pari all'energia scambiata con l'ambiente sotto forma di calore o lavoro;
trascurando il termine relativo allo scambio conduttivo tra corpo e oggetti in
contatto con esso, si può scrivere, riferendosi all'unità di tempo e di
superficie corporea:
M-W-E-Cresp-(R+C)=0
M la potenza termica associata al metabolismo,
W il lavoro meccanico prodotto da un individuo nell'unità di tempo riferito all'unità di
superficie corporea [W/m2];
E il flusso termico ceduto dal corpo per evaporazione cutanea [W/m2];
Cresp il flusso termico ceduto dal corpo attraverso la respirazione [W/m2];
R,C i flussi termici ceduti o ricevuti dal corpo per radiazione e convezione [W/m2].
La differenza (M-W) rappresenta quella parte di carico metabolico che non si
trasforma in lavoro esterno e che quindi deve ritrovarsi come scambio di
energia termica con l’ambiente o come variazione di energia interna del
corpo. Il valore di W risulta molto piccolo rispetto a quello di M (è
praticamente nullo nel caso di attività sedentarie),
e quindi viene
completamente trascurato nella espressione precedente.
10
Evaporazione cutanea
PUNTO ENERGIA
La traspirazione consiste in un fenomeno di diffusione del vapor d’acqua
attraverso la pelle verso l’ambiente, e tale fenomeno si considera anche in
condizioni di riposo assoluto indipendentemente dal sistema di
termoregolazione.
temperatura della pelle,
temperatura dell’aria ambiente,
pressione parziale del vapor d’acqua nell’aria.
La sudorazione consiste nella secrezione da parte delle ghiandole
sudoripare, controllate dall’ipotalamo, di una soluzione acquosa di cloruro
di sodio (il sudore) che, attraverso i pori, raggiunge la superficie esterna
della pelle. temperatura della pelle.
temperatura e umidità relativa dell’aria,
velocità relativa corpo-aria,
percentuale di pelle bagnata dal sudore,
permeabilità al vapore dell’abbigliamento.
11
Respirazione
PUNTO ENERGIA
L’aria inspirata scambia calore e vapor d’acqua con le mucose del tratto
respiratorio; negli alveoli polmonari si trova satura di vapor d’acqua e ad
una temperatura praticamente uguale a quello della temperatura interna.
Quando viene espirata, essa possiede una entalpia e un titolo maggiori
rispetto al momento dell’inspirazione (condizioni ambientali).
La potenza termica connessa alla respirazione è la somma di due aliquote:
carico latente e quella corrispondente al carico sensibile immesso in
ambiente.
metabolismo energetico, ossia attività svolta dall’individuo,
grado igrometrico dell’aria,
temperatura dell’aria.
Flusso termico disperso per convezione
12
PUNTO ENERGIA
La potenza termica che il corpo umano scambia per convezione con
l’ambiente, C, può essere espressa con la relazione:
C = fcl hc Ab (tcl - ta)
fcl = coefficiente di area dell’abbigliamento, adimensionale (il pedice cl sta per cloth,
vestito);
hc = conduttanza termica convettiva unitaria abiti-aria, W/ m2 K;
tcl = temperatura media della superficie esterna del corpo umano vestito, °C;
ta = temperatura dell’aria ambiente, °C.
Il coefficiente di area dell’abbigliamento è definito come il rapporto tra
l’area della superficie del corpo umano vestito, Acl, e nudo, Ab;
si utilizzano generalmente relazioni empiriche che ne forniscono il valore in
funzione della resistenza termica dell’abbigliamento.
Per una persona nuda, risulta fcl = 1, e quindi: tcl = tsk.
13
Flusso termico disperso per convezione
PUNTO ENERGIA
Per il calcolo della conduttanza termica convettiva unitaria abiti-aria si
adoperano generalmente le seguenti relazioni:
hc=2,38 (tcl-ta)0,25
convezione naturale
hc=12,1 var0,5
convezione forzata
M / Ab
corpo-aria, m/s,
Nel
diagramma
è
riportato il legame tra
tale valore e quello della
velocità
dell’aria,
in
funzione del metabolismo
(M) e dell’area della
superficie
del
corpo
umano (Ab).
Var - Va
var = velocità relativa
(m/s)
1
2
3
( met )
4
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
50
50
100
150
200
M / Ab
2
(W/m)
Diagramma per il calcolo della componente della velocità
relativa dell'aria dovuta all'attività, ( V ar - Va ), in funzione del metabolismo energetico, M / A b.
Flusso termico disperso per irraggiamento
14
PUNTO ENERGIA
Il flusso termico che il corpo umano scambia per irraggiamento con
l’ambiente circostante può essere valutato con la relazione valida tra due
corpi, 1 e 2, con A2>>A1 e il corpo 1 grigio (emissività 1):
Q12 = A11 (T14- T24)
Il corpo umano (corpo1), caratterizzato dalla temperatura del vestiario (T1
= Tcl),
Le pareti dell’ambiente circostante, con temperatura media radiante (T2 =
Tmr), che viene definita come la temperatura di un ambiente fittizio
termicamente uniforme che scambierebbe con l’uomo la stessa potenza
termica radiante scambiata nell’ambiente reale.
La temperatura media radiante, Tmr, è data dalla relazione:
(Tmr+ 273)4 = (Ti + 273)4 Fp-i
 Fp-i = fattore di vista tra il soggetto e l’i-esima superficie che lo circonda;
 Ti = temperatura dell’i-esima superficie isoterma dell’ambiente, K.
15
Flusso termico disperso per irraggiamento
PUNTO ENERGIA
b
a
a
b = 0,6 m
c
0,16
Diagramma per il calcolo del fattore di vista tra una persona seduta e un
0,15
rettangolo verticale posto davanti in alto o dietro in basso.
0,14
cfr.
dettaglio
0,13
a / c =oo
5
3
0,12
0,11
0,12
0,11
2
0,10
1,5
0,09
0,08
1
0,07
0,8
0,06
0,4
0,04
3
2
1,5
0,09
0,6
0,05
a / c = oo
0,10
fattore di vista
fattore di vista
c
0,08
0,07
0,06
1
0,8
0,05
0,6
0,04
0,4
0,03
0,03
0,2
0,02
0,02
0,2
0,01
0,01
0
1
2
3
4
5
b/c
6
7
8
9
10
b/c
Flusso termico disperso per irraggiamento
16
PUNTO ENERGIA
b
c
a
a
b = 0,6 m
Diagramma per il calcolo del fattore di vista tra una persona seduta e un
rettangolo verticale posto di lato, davanti in alto o dietro in basso.
0,16
0,15
0,14
cfr.
dettaglio
0,13
dettaglio
0,12
0,11
0,11
a / c =oo
5
3
0,10
0,09
0,10
0,09
2
1,5
0,08
0,07
fattore di vista
fattore di vista
0,12
1
0,8
0,06
0,05
0,04
0,6
0,03
0,4
0,02
2
3
4
5
b/c
6
7
a / c = oo
0,06
0,04
0,4
0,2
0,01
8
9
3
2
1,5
1
0,8
0,6
0,05
0,02
0,2
1
0,07
0,03
0,01
0
0,08
10
b/c
Flusso termico disperso per irraggiamento
b
PUNTO ENERGIA
a
c
a
c = 0,6 m
b
Diagramma per il calcolo del fattore di vista tra una persona seduta e un
rettangolo verticale posto davanti sul soffitto o dietro sul pavimento.
0,16
0,15
0,14
cfr.
dettaglio
a / c =oo
dettaglio
0,12
5
0,12
0,11
3
0,11
0,10
2
0,09
0,10
0,08
1
0,07
0,06
0,8
0,05
0,6
0,04
0,4
0,03
0,2
0,02
a / c =oo
3
2
1,5
0,09
1,5
fattore di vista
fattore di vista
0,13
0,08
0,07
0,06
0,04
1
0,8
0,6
0,03
0,4
0,02
0,2
0,05
0,01
0,01
0
1
2
3
4
5
b/c
6
7
8
9
10
b/c
17
Il comfort termico
18
PUNTO
ENERGIA
“Stato psicofisico in cui il soggetto esprime soddisfazione nei riguardi
del microclima”
“La condizione in cui il soggetto non ha nè sensazione di caldo né sensazione di
freddo”
Comfort termico globale se si vuole studiare il comportamento del corpo nella sua
interezza
Comfort termico locale, o localizzato, se invece si vuole studiare solo il
comportamento relativo a determinate zone del corpo.
Perchè ci sia comfort termico globale, una condizione necessaria è che l’energia
interna del corpo umano non aumenti né diminuisca. L’equazione di bilancio termico
diventa una relazione del tipo:
f (abbigliamento, attività, ta, va, UR, tmr, tsk, E) = 0
che lega tra loro otto variabili: due relative al soggetto (abbigliamento e attività),
quattro ambientali (temperatura, velocità e umidità dell’aria e temperatura media
radiante) e due fisiologiche (temperatura della pelle e potenza termica dispersa per
evaporazione e per sudorazione).
19
Il comfort termico
PUNTO ENERGIA
Per valutare lo scostamento delle condizioni reali da quelle di comfort
termico globale si utilizzano gli indici di discomfort globale, che sono
funzione delle variabili non fisiologiche e assumono lo stesso valore per tutte
le combinazioni di queste ultime che danno uguali sensazioni termiche.
Gli indici di discomfort globale si dividono in due gruppi: indici di
sensazione ed indici di temperatura.
L’indice di sensazione più diffuso è quello detto PMV, che è alla base della
norma UNI-EN-ISO 7730 (UNI, 1997), mentre come indice di temperatura è
spesso usato la temperatura effettiva ET*, che è alla base della norma
ASHRAE 55 (ASHRAE, 1992; ASHRAE, 1995).
Gli indici esprimono comunque solo una risposta media di un gran numero
di soggetti, il che significa, per esempio, che per valori dell’indice
corrispondenti a condizioni di neutralità termica ci possono comunque
essere individui che avvertono invece caldo o freddo.
20
Gli indici PMV e PPD
PUNTO ENERGIA
Occorre associare una grandezza psicofisica in modo da poter correlare le
sensazioni di caldo, freddo o di neutralità alle variabili fisiche presenti
nell'ambiente.
Gli indici PMV e PPD sono stati ricavati da Fanger (1970) sulla base di
sperimentazioni condotte in camera climatica su soggetti vestiti allo stesso
modo e con le stesse caratteristiche di attività, chiamati ad esprimere un
voto sulle condizioni termoigrometriche sulla base della scala a sette valori
della tabella seguente.
VOTO
+3
+2
+1
0
-1
-2
-3
SENSAZIONE
molto caldo
caldo
leggermente caldo
né caldo né freddo
leggermente freddo
freddo
molto freddo
21
Gli indici PMV e PPD
PUNTO ENERGIA
L’indice PMV (Predicted Mean Vote) si basa sul fatto che la sensazione di caldo o di
freddo provata da un individuo è proporzionale alla differenza tra la quota di energia
generata all’interno del corpo umano che si disperde nell’ambiente come energia
termica, e l’energia termica che l’individuo disperderebbe se fosse in condizioni di
neutralità termica.
Il PMV è il voto che un individuo medio darebbe all’ambiente termico, ovvero la media
dei voti espressi da un gran numero di persone poste nelle stesse condizioni.
Si è visto che i voti dei singoli individui presentano una certa dispersione intorno al
valore medio. Fanger (1970) ha quindi definito un altro indice, il PPD (Predicted
Percentage of Dissatisfied) che rappresenta appunto la percentuale prevista di
insoddisfatti.
Per persona insoddisfatta si intende una persona che, soggiornando in un determinato
ambiente, esprime un voto di sensazione termica (riferito alla scala psicofisica
ASHRAE) pari o superiore a 2 (caldo, molto caldo, freddo, molto freddo).
22
Gli indici PMV e PPD
L'indice PPD è stato definito sia per le condizioni termo-igrometriche
PUNTO ENERGIA
(correlato con il PMV), sia per le correnti d'aria.
PMV = -0.50,
1.5
= 0,
= +0.50
 = 0.30
 = 0.50
 = 0.70
1
I cl ( clo )
PPD ( % )
100
10
t a= t r
va = 0.06 m / s
1
-2
=W=0
M / A b= 70 W / m
-1
0
1
PMV ( - )
Relazione tra l'indice PMV e la percentuale
di insoddisfatti, PPD.
2
2
0
15
25
t 0 ( °C )
Curve a PMV = 0,0; + 0,50; - 0,50 per attività leggera, aria stagnante
e ambiente termico uniforme, valutate per tre diversi valori del grado
igrometrico. Le curve sono valide per t a= t r , v a= 0,06 m / s,
 = W = 0, M / A b= 70 W / m 2.
23
Gli indici PMV e PPD
PUNTOoperativa
ENERGIA
Nella figura che segue sono riportate le curve a temperatura
di
neutralità termica costante (a t0 costante) in funzione del metabolismo (M) e
del vestiario (Ab)
0.0
2
0.2
Icl ( m K / W )
3.0
2
-
M(W/m )
b
M / A ( met )
150
2.0
100
-
1.0
0.0
-
1.0
50
Icl ( clo )
2.0
Curve di 0neutralità termica costante e aree di benessere in funzione
di M / Ab e di clI per = 0.50, = W = 0 e per va = 0 m / s.
24
Indici di disagio locale
PUNTO ENERGIA
E’ chiaro però che, anche nel caso in cui i valori medi delle grandezze
microclimatiche siano tali da garantire le condizioni di benessere, può
succedere che in alcuni punti dell’ambiente tali condizioni non siano
rispettate a causa di disuniformità locali.
Disuniformità significative delle grandezze microclimatiche inducono nel
soggetto condizioni di disagio.
Una volta assicurate le condizioni di benessere, occorre verificare che tali
condizioni siano ancora verificate nel sottosistema ambientale costituito
dall’intorno immediato del singolo posto di lavoro.
Le principali cause che provocano disagio locale sono:
disuniformità di temperatura
fluttuazioni di velocità dell’aria che provocano differenti condizioni
di scambio termico con l’ambiente nelle varie zone del corpo umano
25
Indici di disagio locale
Gradienti verticali di temperatura
PUNTO ENERGIA
Si determinano differenti condizioni di scambio termico tra i piedi e il capo
del soggetto; tale situazione è particolarmente fastidiosa quando la
temperatura a livello delle caviglie è inferiore a quella del capo. L’indice
microclimatico relativo è stato proposto da Fanger ed è rappresentato
dalla percentuale prevista di insoddisfatti PPD.
Sia nelle norme UNI- EN-ISO 7730 che nella norma ASHRAE 55/92 viene
assunto come limite per l’accettabilità un PPD del 5% al quale corrisponde
una differenza di temperatura di 3 °C; differente è il criterio di misura
delle temperature, che nel caso della 7730 è riferita a un soggetto seduto,
e nel caso delle norme ASHRAE a un soggetto in piedi. La proposta di
norma UNI-EN 1752 ritiene accettabile un t pari a 2 °C, 3 °C e 4 °C
rispettivamente per i tre livelli di qualità A,B,C.
Il caso di pavimento troppo caldo (o troppo freddo) provoca attraverso lo
scambio termico che avviene sulla pianta dei piedi ancora disuniformità di
temperatura del corpo del soggetto. L’indice microclimatico è
rappresentato dalla percentuale PPD di insoddisfatti proposto da Denmark
e Olsen e da Fanger riguardo soggetti scalzi ( si pensi a palestre,
spogliatoi, piscine coperte) e con scarpe.
26
Indici di disagio locale
PUNTO ENERGIA
100
calcestruzzo
10 min.
10
5
100
50
1
20
30
t p ( °C )
PPD in funzione della temperatura del pavimento (cls)
PPD( % )
PPD ( % )
50
legno
10 min.
10
5
1 min.
1
20
30
t p ( °C )
PPD in funzione della temperatura del pavimento (legno)
Indici di disagio locale
27
Disuniformità locali della velocità dell’aria
PUNTO ENERGIA
Un raffreddamento indesiderato anche di una piccola parte del corpo
dovuto al movimento dell’aria può provocare disagio.
Il problema non è di poco conto, soprattutto in locali condizionati dove non
è facile evitare fastidiose correnti d’aria.
Il disagio non è solo funzione del valore medio della velocità dell’aria var,
ma anche della temperatura ta e della intensità di turbolenza Tu.
E’ stato sviluppato un modello matematico che, attraverso la campionatura
di soggetti, lega la percentuale di insoddisfatti per questo particolare
disagio alla velocità media dell’aria ambiente e alla sua temperatura.
28
Indici di disagio locale
Disuniformità locali della velocità dell’aria
PUNTO ENERGIA
Sono riportate le velocità medie dell’aria
permesse per avere una percentuale di
insoddisfatti del 15 %, del 20 % e del
25 %.
Tu
va ( m / s )
Si vede dal diagramma che per avere
una PPD del 15%, tenuto conto che Tu
varia in pratica dal 30% al 60%, il
valore limite della velocità media
dell’aria dovrebbe essere minore di 0.12
m/s nella stagione invernale e di 0.16
m/s in quella estiva. Poiché la misura di
Tu richiede procedure complicate,
sovente si assume per Tu il valore di
0,40 che è il valore più probabile in
ambienti normalmente climatizzati.
0.40
=
0%
10
20
0.20
40
60
0
20
25
t a ( °C )
Valori limite della velocità dell'aria, v , in funzione
della temperatura dell'aria, t a, e dell'intensità di
turbolenza, Tu, per DR = 15%.
29
Indici di disagio locale
Disuniformità della temperatura delle pareti dell’ambiente
PUNTO ENERGIA
Si verifica in inverno in presenza di grosse superfici vetrate che
costituiscono zone più fredde rispetto alle pareti opache; tale
situazione comporta una dissimmetria dello scambio radiativo del
soggetto;
Altro esempio potrebbe
riscaldamento a soffitto.
essere
quello
di
un
impianto
di
Occorre, come è ovvio, considerare l’effetto di: soffitto caldo,
parete verticale fredda, soffitto freddo, parete verticale calda.
Sia la UNI- EN-ISO 7730 che la Norma ASHRAE prevedono che la
percentuale di insoddisfatti per questo tipo di disagio non superi il
5%.
30
Indici di disagio locale
Disuniformità della temperatura delle pareti dell’ambiente
PUNTO ENERGIA
Per attività leggera, quasi sedentaria l’asimmetria media radiante:
in direzione orizzontale tpr,h rispetto ad un elementino piano disposto
verticalmente (finestre o superfici verticali fredde) deve essere inferiore a 10 °C.
in direzione verticale tpr,h rispetto ad un elementino piano disposto
orizzontalmente (soffitto riscaldato) deve essere inferiore a 5 – 7 °C.
100
50
PPD
r (%)
soffitto caldo
10
parete fredda
soffitto freddo
5
parete calda
1
0
10
20

pr
Percentuale di insoddisfatti da asimmetria media radiante, PPD , per
pareti verticali e orizzontali calde o fredde.
( °C )
31
Criteri di accettabilità di un ambiente
PUNTO ENERGIA
Considerazioni economiche hanno orientato a ritenere accettabili ambienti con un
PPD inferiore o uguale al 10%, ovvero con un PMV compreso tra - 0,50 e + 0,50
(UNI, 1997).
L’indice PMV si è molto diffuso negli ultimi dieci anni e, come si è detto, è alla base
di normative ISO e UNI; esso comunque risulta soggetto a limitazioni molto ben
definite:
I valori di R, C, E, tsk e tcl che si utilizzano per calcolare il valore del PMV non
sono quelli effettivi, a meno che non si sia in condizione di benessere (PMV =
0);
l’indice è validato solo per i seguenti intervalli, precisati dalla norma:
ta : 10  30 °C
M/Ab
: 0,8  4,0 met
tr : 10  40 °C
Icl
:
0  2,0 clo
va: 0  1,0 m/s
PMV
: -2,0  +2,0
L’indice è definito per condizioni di regime stazionario; può essere adoperato,
con risultati comunque soddisfacenti, anche per lievi variazioni di uno o più
parametri, considerando per tali variabili opportune medie temporali.
32
Criteri di accettabilità di un ambiente
PUNTO ENERGIA
Grandezza
Condizione
PPD
UNI-EN-ISO 7730
ASHRAE 55-92
ta(vert)
(ta=0,1 m- ta=1,1 m)  3°C
(ta=0,1 m- ta=1,7 m)  3°C
5
tpr
tpr(h)  10°C
tpr(h)  5°C
tpr(h)  10°C
tpr(h)  5°C
5
tpav
19  tpav  26 °C
18  tpav  29 °C
 10
va
PPD < 15
PPD < 15
 15
Condizioni per il comfort termoigrometrico nella stagione invernale per attività
sedentaria (M/Ab  1,2 met) secondo le norme UNI-EN-ISO 7730 (Icl =1,0 clo ) e
ASHRAE 55-92 (Icl =0,9 clo ).
33
Criteri di accettabilità di un ambiente
PUNTO ENERGIA
Grandezza
Condizione
PPD
UNI-EN-ISO 7730
ASHRAE 55-92
ta(vert)
(ta=0,1 m- ta=1,1 m)  3°C
(ta=0,1 m- ta=1,7 m)  3°C
5
tpav
-
18  tpav  29 °C
 10
va
PPD < 15
PPD < 15
 15
Condizioni per il comfort termoigrometrico nella stagione estiva (Icl =0,5 clo ) per
attività sedentaria (M/Ab  1,2 met) secondo le norme UNI-EN-ISO 7730 e
ASHRAE 55-92.
34
Criteri di accettabilità di un ambiente
Temperatura dell’aria
PUNTO ENERGIA
Secondo la Normativa ISO 7730, che recepisce il criterio di qualificazione di un
ambiente mediante la percentuale di insoddisfatti, le condizioni di comfort sono :
Inverno (1 clo, 1,2 met)
Variabile
temperatura operativa
gradiente verticale temperatura aria
asimmetria temperatura radiante
velocità dell'aria
temperatura pavimento
Condizione
20-24°C (con UR=50%)
max 3°C tra 0,1 e 1,1 m
max 10°C orizzontali max 5°C verticali
max 0,15 m/s
19-29°C
Estate (0,5 clo, 1,2 met)
Variabile
temperatura operativa
gradiente verticale temperatura aria
velocità dell'aria
Condizione
23-26°C (con UR=50%)
max 3°C tra 0,1 e 1,1 m
max 0,25 m/s
I valori sopra riportati sono recepiti anche dalla normativa italiana (UNI-CTI 10339,
Impianti aeraulici ai fini di benessere. Generalità, classificazione e requisiti. Norme
per la richiesta d'offerta, l'offerta, l'ordine, la fornitura).
Criteri di accettabilità di un ambiente
35
Umidità relativa
PUNTO ENERGIA
L'umidità relativa dell'aria influisce in modo modesto sulla sensazione termica, come
può essere verificato dalle espressioni del PMV.
Ad un determinato valore di attività dell'individuo (1,2 met), con un grado di
abbigliamento costante (0,5 clo, condizione estiva), per velocità dell'aria pari a 0,15
m/s, ed in condizioni di neutralità termica (PMV = 0), passare da un valore di umidità
relativa del 30% ad un valore di umidità relativa del 70% corrisponde, in termini di
aumento di temperatura operativa, ad un incremento inferiore a 1°C
- caso estivo
per UR= 40%
per UR= 60%
PMV = -0,14
PMV = 0
PPD = 5.4%
PPD = 5%
- caso invernale per
UR= 40%
per UR= 60%
PMV = -0,51
PMV = -0,41
PPD= 10.5%;
PPD = 8.5%
con una variazione delle persone insoddisfatte praticamente trascurabile.
Criteri di accettabilità di un ambiente
36
Umidità relativa
PUNTO ENERGIA
Le prescrizioni tecniche assegnano un valore di UR costante tutto l'anno, con
tolleranze a volte molto ristrette (UR = 50% +/- 5%).
Sarebbe più opportuno definire due livelli di umidità relativa in base alla
stagione (in inverno: 45%, in estate: 55%), con una tolleranza ammessa del
10%.
La prima specifica condurrebbe ad un risparmio globale anche del 15% in
termini di energia spesa per il trattamento dell'aria
La seconda (tolleranza sul valore dell'umidità relativa) asseconderebbe
l'analisi effettuata che non attribuisce a tale grandezza una influenza
decisiva sulla sensazione termica, ma più che altro riflessi di carattere
igienico (al di sotto di UR = 30% vengono irritate le mucose con
conseguenze dannose sull'organismo, mentre al di sopra di UR = 70-80%
viene favorito lo sviluppo di muffe in ambiente).
37
Criteri di accettabilità di un ambiente
Umidità relativa
PUNTO ENERGIA
Dal punto del benessere è accettabile quell'ambiente
per il quale si ammettono al massimo un numero di
persone insoddisfatte pari al 10% (PMV da -0,5 a
+0,5)
Variare l'umidità dell'ambiente interno da 30% a 70%
non comporta variazioni delle sensazioni sulle
persone se, in inverno, è assicurata una temperatura
operativa compresa tra 19 e 25°C e, in estate, se tale
temperatura è compresa nella fascia 23-27°C.
ICL = 1 clo
0.5
PMV
Viene individuato sul diagramma, sia per le condizioni
estive che per quelle invernali, un campo di
benessere assolutamente equivalente nei confronti
dell'umidità, che comprende:
in inverno, temperature operative che vanno da
19°C circa a 25°C;
in estate, temperature operative che vanno da 23°C
a 27°C.
1
0
UR = 70 %
ICL = 0.5 clo
UR = 30 %
( 0.5 )
UR = 70 %
UR = 30 %
(1)
18
20
22
24
26
28
temperatura operativa [ °C ]
Influenza dell'umidità relativa sul PMV
30
Criteri di accettabilità di un ambiente
38
Velocità dell’aria
PUNTO ENERGIA
La velocità dell'aria influisce sullo scambio termico per convezione individuo-ambiente.
Inoltre per persone dedite ad attività sedentaria e con parti del corpo scoperte, il moto
dell'aria più o meno intenso (correnti d'aria) a causa delle oscillazioni della velocità, può
provocare sensazioni fastidiose.
E' possibile calcolare la percentuale prevista di insoddisfatti in funzione dei tre parametri:
temperatura dell'aria, velocità dell'aria e indice di turbolenza della corrente d'aria.
Fissato un valore limite per il PPD, è possibile ammettere valori crescenti di velocità dell'aria
all'aumentare della sua temperatura.
Ad esempio, fissato un numero limite per la percentuale di insoddisfatti pari al 15% (norma
ASHRAE 55-81), si avrebbe un valore di velocità di 0,14 m/s per temperatura dell'aria di
20°C (inverno) e di 0,20 m/s con 25°C (estate).
Si noti, invece, che le norme attuali fissano valori massimi di 0,15 m/s in inverno e 0,25 m/s
in estate, con scostamenti non irrilevanti da quanto calcolato.
Criteri di accettabilità di un ambiente
39
Velocità dell’aria
PUNTO ENERGIA
60
ta = 20 °C
50
PPD [ % ]
Nella figura a fianco invece, si
riportano i valori di velocità
dell’aria
necessaria
a
compensare incrementi di
temperatura operativa, dove
si vede come la velocità
dell’aria
aumenta
della
quantità
necessaria
a
mantenere invariata l’energia
termica scambiata attraverso
la pelle.
ta = 22 °C
40

30
ta = 24 °C



20
ta = 26 °C


10


0
0
0.1
0.2
0.3
velocità dell'aria [ m / s ]
Influenza della velocità dell'aria sul PPD
( indice di turbolenza
= 0.6 )
0.4
0.5
Un approccio globale per il comfort termico
40
PUNTO ENERGIA
Molte sono state le proposte che hanno tentato di fornire una risposta complessiva, in
termini delle varie sollecitazioni che provocano variazioni di sensazione da parte di un
occupante un ambiente chiuso.
Un tentativo in tale senso, non completamente riuscito soprattutto per la parte riguardante
la qualità dell’aria, è contenuto nella proposta di norma CEN prENV 1752.
La norma riguarda gli spazi confinati, di destinazione diversa da quella residenziale,
contenenti cause di disturbo di tipo "moderato", ovvero spazi destinati ad attività del
terziario, del commercio, del tempo libero, con esclusione degli ambienti industriali ed in
generale dei locali ad alta intensità delle sorgenti di calore, di sostanze inquinanti, di
rumore.
Si parte dall'idea di soddisfare tre classi di prestazioni che sono tra loro interagenti: il
comfort termoigrometrico, la qualità dell'aria, il comfort acustico.
Elemento caratterizzante la norma è la definizione di diversi “livelli di qualità ambientale”
(identificati nel testo come categorie A, B e C)
Un approccio globale per il comfort termico
41
PUNTO ENERGIA
L'approccio più semplice, ma più rigido, al problema della qualità ambientale è dato dalla
tabulazione dei Criteri di Progetto.
temperatura operativa estiva ed invernale
massima velocità media dell’aria
livello di pressione sonora ponderata A
portata d’aria di ricambio (in L/s per m2 di pavimento) ed eventuale ventilazione
supplementare qualora sia consentito fumare
I valori di ricambio d’aria indicati si riferiscono all’impiego di materiali da costruzione con
ridotto tasso di emissione di sostanze inquinanti, a valori di occupazione pari a quelli
indicati in Tabella, e a un impianto con efficienza di ventilazione unitaria.
La principale osservazione che occorre formulare al riguardo è che i valori consigliati della
temperatura operante interna invernale di progetto sono tendenzialmente superiori ai valori
consentiti dalla legge 10/91: in molti casi si consiglia infatti una temperatura di 22°C con
tolleranze comprese fra 1 e 3 a seconda della categoria selezionata.
Un approccio globale per il comfort termico
42
PUNTO ENERGIA
Criteri di progettazione per ambienti di diverse tipologie di edificio
Tipo di edificio
Attività
met
ufficio singolo
1.2
open space
1.2
s. conferenze
1.2
auditorium
1.2
ristorante
1.2
aule
1.2
negozio
1.6
Ventilazione
Velocità Livello di Portata di
Temperatura Temperatura Velocità
Occupazione
pressione ventilazione supplementare
2 Categoria operativa, °C operativa, °C
aria
aria
persona / m
2
2
L/( sm ) fumatori L/( sm )
estate
inverno
m/s estate m/s inverno dB (A)
A
24.5 +- 1.0
22.0 +- 1.0
0.18
0.15
30
2.0
B
0.1
24.5 +- 1.5
22.0 +- 2.0
0.22
0.18
35
1.4
C
24.5 +- 2.5
22.0 +- 3.0
0.25
0.21
40
0.8
0.15
A
24.5 +- 1.0
22.0 +- 1.0
0.18
35
1.7
0.7
0.07
B
24.5 +- 1.5
22.0 +- 2.0
0.22
0.18
40
1.2
0.5
C
0.21
0.7
24.5 +- 2.5
22.0 +- 3.0
0.25
45
0.3
A
24.5 +- 1.0
22.0 +- 1.0
0.18
0.15
30
6.0
5.0
B
0.18
0.5
24.5 +- 1.5
22.0 +- 2.0
0.22
35
4.2
3.6
C
24.5 +- 2.5
22.0 +- 3.0
0.25
0.21
40
2.4
2.0
0.15
A
24.5 +- 1.0
22.0 +- 1.0
0.18
30
16
1.5
B
24.5 +- 1.5
22.0 +- 2.0
0.22
0.18
33
11.2
C
0.21
24.5 +- 2.5
22.0 +- 3.0
0.25
35
6.4
A
24.5 +- 1.0
22.0 +- 1.0
0.18
0.15
35
8.0
B
0.18
5.0
0.7
24.5 +- 2.0
22.0 +- 2.5
0.22
45
5.6
C
24.5 +- 2.5
22.0 +- 3.5
0.25
0.21
50
3.2
2.8
0.15
A
24.5 +- 0.5
22.0 +- 1.0
0.18
30
6.0
B
0.5
24.5 +- 1.5
22.0 +- 2.0
0.22
0.18
35
4.2
C
0.21
24.5 +- 2.5
22.0 +- 3.0
0.25
40
2.4
A
24.5 +- 1.0
22.0 +- 1.5
0.16
0.13
40
4.2
B
0.15
0.15
24.5 +- 2.0
22.0 +- 3.0
0.20
45
3.0
C
24.5 +- 3.0
22.0 +- 4.0
0.23
0.18
50
1.6
Neutralità di sensazione termica, accettabilità e preferenza
43
PUNTO ENERGIA
Le condizioni di benessere ambientale risentono anche del tempo che un individuo trascorre in
un ambiente e che lo porta ad assuefarsi alle condizioni esistenti (adattamento: del
comportamento, fisiologico e psicologico).
Le ipotesi adattative prevedono che i fattori contestualmente presenti in un ambiente e la
storia termica modificano le preferenze e le aspettative degli occupanti.
Il fatto, per esempio, che le persone in climi freddi preferiscono temperature in ambiente più
fredde che le persone che vivono in regioni con climi caldi, non viene contemplato nelle
assunzioni stazionarie presenti nella formulazione del PMV della ISO e dell’ASHRAE 55-92.
L’ipotesi di un principio adattativo suggerisce che le condizioni di neutralità termica dovrebbero
modificarsi in funzione sia della temperatura (operativa) dell’ambiente interno, che della
temperatura esterna.
Il campo delle neutralità termiche medie varia tra 21-25°C negli edifici condizionati, mentre
tale campo si allarga fino a 20-27 negli edifici a ventilazione naturale.
44
Neutralità di sensazione termica, accettabilità e preferenza
PUNTO ENERGIA
Il confronto tra l’approccio adattativo e statico (PMV) mostra alcuni spunti di grande
interesse, nei due casi di edifici climatizzati o ventilati naturalmente.
Per edifici climatizzati, la temperatura di comfort termico nel modello statico ha solo una
piccola variazione rispetto a quella ricavata con approccio adattativo (meno di 2 °C) su un
vasto campo di temperature esterne (da –5 a 35 °C).
Per un edificio ventilato naturalmente: le differenze sono anche di 20 °C negli estremi
climatici (temperatura esterna di 5°C o di 35°C), con un uguaglianza solo intorno ad una
temperatura esterna di 20°C.
Edificio con impianto di climatizzazione
27
Edificio con ventilazione naturale
27
modello dinamico
modello statico
26
26
25
25
24
24
23
23
22
22
21
21
20
-5
0
5
10
15
20
25
30
temperatura esterna media ( °C )
35
20
-5
modello dinamico
modello statico
0
5
10
15
20
25
30
temperatura esterna media ( °C )
35