2013 03 06 Teoria del Comfort - University of Cagliari...Teoria del comfort: definizione Il COMFORT...

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CAGLIARI FACOLTÁ DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA

Laurea Magistrale in Archite>ura

L. I. di PROGETTAZIONE TECNICA E STRUTTURALE

Modulo Impianti a.a. 2012-2013 Teoria del comfort Docente: Ing. ROBERTO RICCIU

Teoria del comfort: definizione

Il COMFORT termoigrometrico è quello stato psicofisico nel quale

il soggetto esprime soddisfazione nei

confronti dell’ambiente termico

(Ashrae 55, 2004)

Ing. ROBERTO RICCIU -‐ Lezioni del L. I. di PROGETTAZIONE TECNICA E STRUTTURALE

modulo IMPIANTI a. a. 2012-‐2013



Teoria del comfort: definizioni

Ambiente termico: complesso di parametri, soggettivi e ambientali, che determinano la sensazione termica provata da un soggetto esposto a fissate condizioni termoigrometriche:



Teoria del comfort: aspetti legati all’insoddisfazione

L'insoddisfazione può essere causata da: -  disagio per il caldo o per il freddo che prova il

corpo nel suo complesso; - non desiderato raffreddamento (o riscaldamento) di una particolare parte del corpo (es. da corrente d'aria); - differenza verticale di temperatura tra testa e caviglie troppo elevata



Teoria del comfort: aspetti legati all’insoddisfazione

-  pavimento troppo caldo o freddo -  asimmetria della temperatura radiante troppo

elevata -  un'energia metabolica troppo elevata -  abbigliamento non adeguato



Teoria del comfort: il modello Ashrae 55

1) temperatura dell’aria

2) velocità dell’aria

3) grado igrometrico dell’aria

4) temperatura media radiante*

5) metabolismo energetico (attività fisica)

6) proprietà termofisiche dell’abbigliamento**

dipendente dalla progettazione termotecnica

controllabili con la climatizzazione

Parametri che definiscono il comfort termoigrometrico

*Dipendenti dall’ambiente **Dipendenti dal soggetto



Teoria del comfort: grandezze ambientali

Temperatura di bulbo secco La temperatura di bulbo secco e la temperatura di bulbo umido si possono misurare con uno psicrometro rispettivamente in corrispondenza del bulbo secco ed umido dello stesso



Teoria del comfort: esempio di strumento per la misura



Temperatura media radiante Gli scambi per irraggiamento sono la base per calcolare la temperatura media radiante (Tmr): la Tmr è la temperatura fittizia che se tutto l’involucro avesse uniformemente darebbe luogo allo scambio per irraggiamento che avviene nella realtà. Lo scambio per irraggiamento che avviene in realtà si ricava conoscendo l’emissività della persona εp (circa 0,98), la sua temperatura superficiale Tce e la sua area efficace radiante Aeff, parametri che immaginiamo per un momento di conoscere. Noti i fattori di vista (Fp-i) fra la persona e le superfici dell’involucro alla temperatura Ti (K), lo scambio termico per irraggiamento è dato da:




Teoria del comfort: esempi di strumento per la misura



Temperatura media radiante La norma UNI EN ISO 7726:02 consigli per la misura o il calcolo della Rmr anche altri metodi quali: - Strumento a due sfere - Sfera mantenuta alla temperatura dell’aria - Metodo di misura con i fattori di vista


Temperatura piana radiante

La temperatura piana radiante, tpr è la temperatura di una cavità isoterma fittizia, nella quale il flusso radiante incidente su una faccia di un elemento piano è uguale a quello che incide sullo stesso elemento nell’ambiente reale. Tale flusso radiante è indipendente dalla posizione dell’elemento stesso; nel caso degli ambienti reali non isotermi, il flusso radiante dipende dalla posizione dell’elemento. Quando si fornisce il valore di una temperatura piana radiante, bisogna specificare il punto in cui è stata misurata, ma anche la direzione (il verso).




Temperatura piana radiante

La misura della temperatura piana radiante, è indispensabile per il calcolo dell’asimmetria della temperatura media radiante, Δtpr, richiesta per la valutazione del discomfort localizzato. Δtpr, è data dalla differenza delle due temperature medie radianti relative ai due versi di una stessa direzione:

Δtpr = tpr1 – tpr2 [°C]






Teoria del comfort: esempi di strumento per la misura

Dal punto di vista termodinamico, l’essere umano può essere assimilato ad una macchina termica. Attraverso processi ossidativi dei cibi introdotti, trasforma l’energia chimica in altre forme di energia necessarie alla vita (energia muscolare, calore, riserve). Ciò viene definito flusso metabolico



Teoria del comfort: le grandezze legate alla persona - il metabolismo

Per metabolismo energetico si intende la serie di trasformazioni chimiche che il cibo e le bevande assunte subiscono ad opera del corpo umano: i processi metabolici sono esoenergetici , per cui l’energia potenziale chimica dei cibi e delle bevande nel corpo umano si trasforma in parte direttamente in energia termica, in parte in energia elettrica (necessaria alla trasmissione degli impulsi nervosi e per l’attività elettrica muscolare). La rimanente parte viene immagazzinata sotto forma di energia potenziale chimica che, all’interno del corpo umano, si trasforma in energia termica, costituendo il metabolismo energetico

1 met = 58,2 W/m2 = “Aeff”= 1,80 m2 (circa)


Il metabolismo

La determinazione del metabolismo energetico è normata dalla UNI EN ISO 8996:2005. Tale norma mette in relazione il metabolismo con il tipo di attività svolta, determinando il valore di “consumo energetico” (W/m2)


Il metabolismo

Lo smaltimento del flusso metabolico avviene attraverso due meccanismi principali, quello sensibile (per differenza di temperatura) e quello latente (dovuto ad un processo di evaporazione). Il vestiario può avere influenza su entrambi i processi dissipativi.


Il metabolismo

I valori di metabolismo energetico sono valori medi riferiti all’intera giornata lavorativa, comprendendo anche brevi intervalli di riposo. Vanno da 55 a 70 W/m2 per classe di attività 0 (riposo); da 70 a 130 W/m2 per classe 1 (met. Energ. leggero); da 130 a 200 W/m2 per classe 2 (met. Energ. moderato); da 200 a 260 W/m2 per classe 3 (met. Energ. elevato); superiori a 260 W/m2 per classe 4 (met. Energ. molto elevato)




La temperatura interna del corpo di un individuo sano dev’essere costante e pari circa a 37 +/- 0,5°C, con leggere variazioni durante la giornata. La temperatura della parte esterna del corpo può invece variare da un massimo di 45°C a un minimo che dipende dalle diverse parti del corpo.




Mantenere costante la temperatura del nucleo ha un’importanza fondamentale. I meccanismi di termoregolazione fanno capo all’ipotalamo, deputato all’attivazione dei meccanismi necessari a mantenere le condizioni di omeotermia del corpo umano




L’adattamento dell’organismo umano alle continue variazioni termoigrometriche avviene attraverso due zone fisiologiche: una esterna costituita dalla pelle e dai tessuti sottocutanei, e una interna, detta nucleo, comprendente gli organi vitali.

Il sistema di termoregolazione interviene al fine di eguagliare il valore dell'energia termica e meccanica interna al corpo (metabolismo) e l’insieme degli scambi di calore e lavoro che avvengono tra il corpo e l'ambiente circostante, in relazione all'attività svolta. L'azione del sistema di termoregolazione attraverso i suoi meccanismi determina la sensazione percepita di freddo o di caldo.




Meccanismi di termoregolazione

Esistono due tipi di termoregolazione in ambienti freddi

vasocostrizione con diminuzione dell’afflusso di sangue verso la periferia

in ambienti caldi

vasodilatazione con aumento dell’afflusso di sangue alla periferia

EFFETTI in ambienti freddi -> brivido

in ambienti caldi -> sudorazione




Teoria del comfort: le grandezze legate alla persona – l‘abbigliamento

Resistenza termica e permeabilità dell’abbigliamento

Per le proprietà termofisiche dell’abbigliamento si fa riferimento alla norma UNI EN ISO 9920:2009. Tutti i generi di vestiario indossati hanno una propria resistenza termica. In modo approssimativo si può considerare che la resistenza termica di un abbigliamento estivo da ufficio sia pari a 0,5 clo e quella di un abbigliamento invernale da ufficio pari a 1 clo. Clo (resistenza termica per unità di superficie), è un’unità incoerente legata alla corrispondente unità del Sistema Internazionale dalla relazione:

1 clo = 0,155 m2K/W





Altro elemento che influisce sul comfort termico è la sedia. Questa comporta diversi valori di isolamento superficiale unitario abiti - aria rispetto alla posizione in piedi, nonché una compressione degli strati d’aria tra la pelle e i capi, e tra i diversi capi, con conseguente riduzione della resistenza termica dell’abbigliamento Icl. Inoltre la posizione seduta comporta una contrazione di alcuni tessuti (quelli di cosce e bacino) con conseguente vasocostrizione che consente di aumentare la sensazione di caldo, equivalente perciò a un aumento della resistenza termica dell’abbigliamento. La posizione seduta riduce il metabolismo energetico.




Da queste considerazioni deriva che le grandezze che determinano le sensazioni termiche sono quelle che danno luogo agli scambi di calore tra ambiente e corpo umano

Come già detto, il corpo umano è quindi assimilabile ad un sistema termodinamico che scambia calore con l'esterno, di cui è possibile definire un bilancio energetico

Teoria del comfort: equazione di bilancio energetico


quando S > 0 la temperatura del corpo tende ad aumentare quando S < 0 la temperatura del corpo tende a decrescere quando S = 0 siamo in presenza di equilibrio termico e

La condizione S = 0, dal punto di vista termodinamico corrisponde ad una variazione nulla dell’energia interna del corpo. Variazioni positive di energia interna tenderebbero ad incrementare il valore della temperatura corporea, variazioni negative porterebbero ad una riduzione della stessa. Stante la necessità dell’omeotermia, il corpo umano reagisce a queste variazioni mediante il proprio sistema di termoregolazione

Condizioni del benessere termoigrometrico



Teoria del comfort: funzione delle grandezze che regolano il bilancio energetico

Teoria del comfort: potenze termiche dissipate

Rendimento meccanico µ, rapporto tra la potenza meccanica ceduta all’ambiente ed il metabolismo energetico W/M fcl = coefficiente di area dell’abbigliamento (m2K/W) Icl = isolamento termico dell’abbigliamento (m2K/W) Ta = temperatura dell’aria (°C) Pa = pressione parziale di vapor d’acqua nell’aria (Pa) v = velocità dell’aria (m/s) Et = potenza termica disperdibile complessivamente attraverso la pelle come calore latente (W)

Principali parametri che definiscono la funzione del bilancio termico:


Principali parametri che definiscono la funzione del bilancio termico:


R = Aeff ⋅ hr (θcl - θ mr) (W) Dove hr è il coefficiente di scambio termico radiativo tra due corpi (uno interno all’altro)

C = Aeff ⋅ hc (θcl - θi ) (W) Dove hC il coefficiente di scambio termico convettivo Con: θcl = temp media della sup. del corpo umano versito °C θmr = temperatura dell’aria ambiente °C Aeff = superficie del corpo umano nudo m2

(mediamente 1,8 m2)

Gli scambi termici (potenza termica) radiativo e convettivo


Le potenze termiche scambiate per convezione ed irraggiamento dipendono da: -temperatura superficiale del vestiario -temperatura dell’aria e temperatura media radiante - velocità relativa fra soggetto ed aria (nulla per convezione naturale) - abbigliamento del soggetto

Gli scambi termici (potenza termica) radiativo e convettivo


La potenza termica dispersa per diffusione Ev attraverso la pelle è indipendente dal sistema di termoregolazione e può essere calcolata in funzione di: - del grado igrometrico dell’aria - temperatura dell’aria - attività metabolica La potenza termica dispersa per respirazione ERES è funzione dell’attività metabolica e delle condizioni termoigrometriche dell’aria ambiente ed è costituita dalla somma di calore latente e calore sensibile

Scambio termico evaporativo

[1]

Teoria del comfort: schema riassuntivo

Fino a poco tempo fa, i soggetti occupanti gli ambienti venivano visti come utilizzatori passivi (Fanger) per i quali venivano individuati valori di scambio termico costanti. La ricerca ha introdotto il concetto di adattamento del soggetto, tenendo conto di importanti fattori utili a spiegare come il contesto e la storia termica di ciascun soggetto possano condizionare le sue aspettative e le sue preferenze termiche, in relazione all’ambiente circostante. Il processo di adattamento dell’individuo nei confronti del microclima avviene in modo cosciente oppure inconsciamente, Con l’attivazione di un processo di graduale diminuzione delle reazioni individuali agli stimoli ambientali.



Teoria del comfort: il comfort adattativo

Il comfort adattativo

I tipi di adattamento sono tre: adattamento comportamentale: insieme di comportamenti consci o inconsci che la persona mette in atto con lo scopo di modificare i parametri che regolano il bilancio termico del corpo. L’adattamento può essere inteso in senso personale (togliere un indumento), tecnologico (accendere un condizionatore dell’aria) culturale (fare una siesta al caldo) adattamento fisiologico: generato dall’esposizione per un tempo prolungato ad un tipo di clima, riduce lo stress indotto da quella particolare condizione termica. L’adattamento fisiologico può essere di tipo genetico (intergenerazionale) o dovuto all’acclimatazione (processo graduale). Questo tipo di adattamento ha poca influenza sulla percezione del comfort in ambienti moderati. adattamento psicologico: esperienze pregresse e aspettative che modificano la percezione degli stimoli sensoriali e la reazione a essi.




Da tali considerazioni emerge che: - i valori di resistenza termica da utilizzare nella progettazione devono essere scelti tenendo conto delle abitudini locali delle persone e delle condizioni climatiche tipiche della zona in esame; - nella determinazione delle temperature preferite negli ambienti interni, possono intervenire altre forme di adattamento individuale, legate alla postura del corpo e alla diminuzione dell’attività fisica -  condizioni di lavoro più intense sono meglio sopportate da chi vive e lavora in zone calde, piuttosto che persone abituate a climi freddi.




I progettisti ed i costruttori del periodo preindustriale, possono essere considerati i precursori dell'adaptive approach al comfort. Essi tenevano ben presente il comportamento dell'uomo nei confronti delle sollecitazioni termiche dovute alle mutabili condizioni climatiche esterne, mitigandole attraverso le prestazioni dell'involucro. Oggi tali edifici verrebbero definiti "a controllo climatico naturale". Campagne di misura in situ effettuate da de Dear e Brager in edifici a controllo climatico naturale ed edifici a controllo climatico meccanico, hanno evidenziato come un insieme di fattori di adattamento (fisiologico, comportamentale e psicologico) influenzino la sensibilità del soggetto alla condizione climatica percepita. Anche in tal senso si parla di comfort adattativo.



Tali studi hanno evidenziato, nello specifico, che: - L’adattamento fisiologico, in relazione al tempo di permanenza in ambienti caratterizzati da certe condizioni climatiche, comporta una crescente tollerabilità alle stesse.

- L'adattamento comportamentale è rappresentato dall'insieme di azioni che il soggetto attua al fine di modificare il proprio bilancio energetico (modifica dell'abbigliamento, modifica della propria attività fisica, interagisce con l'impianto di climatizzazione).

- Infine l'adattamento psicologico attiene al bagaglio delle esperienze vissute e le aspettative che tendono a modificare la percezione degli stimoli e di conseguenza la reazione agli stessi.




Ai fini di cui trattasi occorre evidenziare come dalle indagini condotte da Brager e de Dear si sia riscontrata una relazione fra la temperatura esterna media e quella ottimale del tipo:

Tott = a·Te + b

Dove: Tott = temperatura interna di comfort, Te = temperatura esterna di riferimento, a = una costante del legame tra Tott e Te b = una costante che rappresenta la temperatura minima accettabile.




Nel caso dell'Europa (McCartney e Nicol) Tott = 0,30·Te + 19,39 [°C]




Per gli Stati Uniti Tott = 0,31·Te + 17,8 [°C]




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