Indice dei contenuti Capitolo 1 BENESSERE … · Indice dei contenuti Capitolo 1 BENESSERE...

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Indice dei contenuti Capitolo 1 BENESSERE TERMOIGROMETRICO 1.1 Introduzione ..................................................................................pag. 1 1.2 Bilancio termoigrometrico del corpo umano..................................pag. 2 1.3 Gli indici del benessere .................................................................pag. 8 1.4 Temperatura dell'aria ....................................................................pag. 12 1.5 Umidità relativa..............................................................................pag. 14 1.6 Velocità dell'aria ............................................................................pag. 15 1.7 Cause di discomfort locale ............................................................pag. 16 1.7.1 L'asimmetria radiante .......................................................pag. 17 1.7.2 Il gradiente termico verticale ............................................pag. 18 1.7.3 La temperatura del pavimento .........................................pag. 20 1.7.4 Le correnti d'aria...............................................................pag. 21 1.8 I diagrammi del benessere............................................................pag. 23 1.8.1 I diagrammi del benessere di Fanger...............................pag. 24 1.8.2 Il diagramma ASHRAE del benessere.............................pag. 26 1.9 I nuovi modelli adattivi ...................................................................pag. 26 1.10 Riferimenti normativi......................................................................pag. 28 1.11 Elenco dei simboli .........................................................................pag. 31 1.12 Bibliografia.....................................................................................pag. 32 Capitolo 2 QUALITA’ DELL’ARIA INTERNA E SISTEMI DI FILTRAZIONE 2.1 Generalità......................................................................................pag. 35 2.2 Principali inquinanti .......................................................................pag. 36 2.3 Unità olf e decipol..........................................................................pag. 39 2.4 Sindrome da edifici insalubri .........................................................pag. 40 2.5 Determinazione della portata d’aria di ventilazione ......................pag. 41 2.5.1 Normative in materia di ventilazione ................................pag. 41 2.5.2 CEN Ventilation of buildings Design criteria for the indoor environment .......................pag. 42 2.5.3 ASHRAE 62-2004 ............................................................pag. 49 2.6 Sistemi di filtrazione ......................................................................pag. 52 2.6.1 Generalità.........................................................................pag. 52 2.6.2 Classificazione dei filtri in base al principio di funzionamento...............................pag. 53

Impianti di climatizzazione e condizionamento

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2.6.3 Classificazione dei filtri in base all’efficienza di filtrazione.....................................pag. 60 2.6.4 Criteri di scelta dei sistemi di filtrazione ...........................pag. 65 2.7 Elenco dei simboli .........................................................................pag. 67 2.8 Bibliografia.....................................................................................pag. 68 Capitolo 3 CALCOLO DEI CARICHI TERMICI 3.1 Generalità......................................................................................pag. 69 3.2 Calcolo in condizioni estive e invernali..........................................pag. 70 3.3 I carichi termici estivi .....................................................................pag. 72 3.4 I carichi termici invernali ................................................................pag. 73 3.5 Condizioni esterne di progetto ......................................................pag. 74 3.6 Condizioni interne di progetto .......................................................pag. 77 3.7 Trasmissione attraverso l'involucro edilizio...................................pag. 78 3.7.1 Pareti opache ...................................................................pag. 79 3.7.2 Pareti vetrate ....................................................................pag. 85 3.7.3 Coperture .........................................................................pag. 89 3.7.4 Solai .................................................................................pag. 90 3.8 Irraggiamento solare .....................................................................pag. 91 3.8.1 Metodo della differenza di temperatura equivalente ........pag. 92 3.8.2 Fattori di accumulo...........................................................pag. 96 3.9 Ponti termici...................................................................................pag. 99 3.10 Infiltrazioni d'aria e ventilazione ...................................................pag. 99 3.11 Carichi termici interni.....................................................................pag. 102 3.11.1 Persone ............................................................................pag. 102 3.11.2 Macchinari ........................................................................pag. 102 3.11.3 Illuminazione ....................................................................pag. 103 3.11.4 Altri contributi....................................................................pag. 103 3.12 Elenco dei simboli .........................................................................pag. 104 3.13 Bibliografia.....................................................................................pag. 105 Capitolo 4 CLASSIFICAZIONE DEGLI IMPIANTI 4.1 Generalità......................................................................................pag. 107 4.2 Impianti di riscaldamento e climatizzazione..................................pag. 108 4.2.1 Impianti centralizzati.........................................................pag. 108 4.2.2 Impianti autonomi .............................................................pag. 114

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4.3 Impianti di condizionamento .........................................................pag. 114 4.4 Impianti a tutt’aria ..........................................................................pag. 117 4.4.1 Impianti a portata costante...............................................pag. 117 4.4.2 Impianti a portata variabile ...............................................pag. 118 4.4.3 Sistemi monocondotto e a doppio condotto.....................pag. 118 4.4.4 Sistemi multizone .............................................................pag. 120 4.5 Impianti di condizionamento misti aria-acqua ...............................pag. 121 4.6 Elenco dei simboli .........................................................................pag. 127 4.7 Bibliografia.....................................................................................pag. 127 Capitolo 5 IMPIANTI DI RISCALDAMENTO: CRITERI DI PROGETTO 5.1 Introduzione...................................................................................pag. 129 5.2 Elementi terminali..........................................................................pag. 130

5.2.1 Radiatori ...........................................................................pag. 131 5.2.2 Ventilconvettori ed areotermi ...........................................pag. 132 5.2.3 Pannelli radianti................................................................pag. 134 5.2.4 Dimensionamento ............................................................pag. 137

5.3 Rete di distribuzione......................................................................pag. 142 5.3.1 Tubazioni e collettori: tipologie e dimensionamento ........pag. 142 5.3.2 Vaso di espansione: tipologie e dimensionamento..........pag. 148 5.3.3 Pompe di circolazione: tipologie e dimensionamento......pag. 149 5.4 Elenco dei simboli .........................................................................pag. 153 5.5 Bibliografia.....................................................................................pag. 154 Capitolo 6 NORMATIVA E VERIFICHE PER GLI IMPIANTI DI RISCALDAMENTO 6.1 Introduzione...................................................................................pag. 155 6.2 Legge 10/91 ..................................................................................pag. 156 6.3 D.P.R. 26 agosto 1993 n. 412.......................................................pag. 159 6.4 D. Lgs. 19 agosto 2005 n. 192 ......................................................pag. 166 6.4.1 Generalità.........................................................................pag. 166 6.4.2 Verifiche imposte dal D. Lgs. 19 agosto 2005 n. 192 ......pag. 168 6.4.3 Metodi di calcolo prescritti ................................................pag. 170 6.5 D. Lgs. 29 dicembre 2006 n. 311 ..................................................pag. 173 6.6 Elenco dei simboli .........................................................................pag. 175 6.7 Bibliografia.....................................................................................pag. 176


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Capitolo 7 IMPIANTI DI CONDIZIONAMENTO: CRITERI DI PROGETTO 7.1 Componenti di un impianto di condizionamento a tutt’aria ...........pag. 177 7.2 Componenti di un impianto di condizionamento misto..................pag. 177 7.3 Trattamenti dell’aria.......................................................................pag. 178 7.3.1 Impianti a tutt’aria .............................................................pag. 178 7.3.2 Impianti misti aria-acqua ..................................................pag. 182 7.4 Calcolo della portata d’aria di progetto..........................................pag. 184 7.4.1 Impianti a tutt’aria .............................................................pag. 184 7.4.2 Impianti misti aria-acqua ..................................................pag. 186 7.5 Terminali di immissione dell’aria ...................................................pag. 186 7.5.1 Generalità.........................................................................pag. 186 7.5.2 Terminali per la distribuzione a flusso turbolento.............pag. 187 7.5.3 Terminali per la distribuzione a dislocamento..................pag. 191 7.5.4 Sistemi a flusso laminare .................................................pag. 192 7.5.5 Altri tipi di terminali ...........................................................pag. 192 7.5.6 Applicazioni ......................................................................pag. 193 7.5.7 Griglie ed elementi di ripresa ...........................................pag. 194 7.5.8 Dimensionamento dei terminali di immissione dell’aria ...pag. 194 7.5.8.1 .Bocchette di mandata ......................................... pag. 195 7.5.8.2 .Griglie di ripresa o transito .................................. pag. 197 7.6 Rete di distribuzione dell’aria ........................................................pag. 198 7.6.1 Classificazione dei canali di distribuzione dell’aria ..........pag. 199 7.6.2 Caratteristiche costruttive dei canali ................................pag. 201 7.6.3 Dimensionamento della rete ............................................pag. 202 7.6.3.1 .Metodo a perdita di carico costante .................... pag. 203 7.6.3.2 .Metodo a riduzione di velocità............................. pag. 205 7.6.3.3 .Metodo a recupero di pressione statica .............. pag. 205 7.6.4 Calcolo delle perdite di carico totali del circuito ...............pag. 205 7.7 Elementi terminali e rete di distribuzione ......................................pag. 208 7.8 Elenco dei simboli .........................................................................pag. 209 7.9 Bibliografia.....................................................................................pag. 210 Capitolo 8 CENTRALI TECNOLOGICHE 8.1 Generalità......................................................................................pag. 211 8.2 Unità di trattamento dell’aria .........................................................pag. 211 8.2.1 Dimensionamento degli elementi principali......................pag. 213

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8.3 Generatori di calore: tipologie e caratteristiche costruttive ...........pag. 216 8.4 Generatori di calore: dimensionamento ........................................pag. 220 8.5 Macchine frigorifere: tipologie e caratteristiche costruttive ...........pag. 223 8.6 Macchine frigorifere: dimensionamento ........................................pag. 226 8.7 Cenni sulla regolazione degli impianti ..........................................pag. 227 8.7.1 Generalità.........................................................................pag. 227 8.7.2 Impianti a tutt’aria a portata costante ...............................pag. 228 8.7.3 Impianti a tutt’aria a portata variabile ...............................pag. 229 8.7.4 Impianti misti (a ventilconvettori)......................................pag. 229 8.8 Elenco dei simboli .........................................................................pag. 230 8.9 Bibliografia.....................................................................................pag. 231 Appendice A RILIEVO DEI PARAMETRI TERMOIGROMETRICI AMBIENTALI ..........................................................................................pag. 233 Appendice B RICHIAMI DI PSICROMETRIA...............................................................pag. 251

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Capitolo 1

BENESSERE TERMOIGROMETRICO

1.1 Introduzione Nella società moderna la maggioranza delle persone trascorre gran parte del

proprio tempo in ambienti confinati, in presenza di un clima artificiale. La realizzazione di condizioni di benessere all'interno di un ambiente confinato è pertanto uno dei principali obiettivi per le figure professionali chiamate alla progettazione degli edifici. Il benessere diventa un elemento di progetto, dal quale prendono spunto le soluzioni edilizie ed impiantistiche; il benessere include anche fattori non termici quali la qualità dell'aria, l'illuminazione, l'acustica. Nel presente testo si focalizza l'attenzione sul benessere termoigrometrico e la qualità dell'aria.

In accordo con la definizione fornita dall'American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE) [1], il benessere è quella condizione mentale che esprime soddisfazione nei confronti dell'ambiente termico. Si definisce inoltre neutralità termica, quella condizione per la quale un soggetto non desidera né un ambiente più caldo né un ambiente più freddo; pertanto la neutralità termica è condizione necessaria per il benessere termoigrometrico, ma non sufficiente; i parametri da cui dipende la sensazione di benessere sono infatti numerosi: temperatura dell'aria e delle superfici radianti, umidità relativa e velocità dell'aria, purezza dell'aria, resistenza termica dell'abbigliamento, livello di attività svolta dagli occupanti. La sensazione di benessere è il risultato dell'azione simultanea di tutti questi elementi, oltre che di fattori di ordine psicologico; a tal fine sono stati sviluppati numerosi indici del benessere, funzione di detti parametri ed in grado di caratterizzare globalmente un ambiente.

Poichè lo stato di benessere è una condizione soggettiva, gli occupanti di un ambiente in generale esprimono pareri diversi ed esiste sempre una percentuale di persone che si dichiarano insoddisfatte nei confronti dell’ambiente termico in cui si trovano: la progettazione dal punto di vista microclimatico ha pertanto come scopo quello di rendere minima la percentuale degli insoddisfatti (PPD = Predicted Percentage of Dissatisfied).


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Dal punto di vista termoigrometrico gli ambienti possono essere classificati in moderati e severi. Negli ambienti moderati le condizioni termoigrometriche non sono particolarmente gravose (abitazioni, uffici), quindi è in genere possibile raggiungere condizioni di benessere; gli ambienti severi sono invece quelli in cui si svolgono attività industriali, con condizioni ambientali difficili e dove non è possibile raggiungere condizioni di benessere; in questo caso lo scopo della progettazione è la salvaguardia della salute dei lavoratori. In questo testo ci occuperemo esclusivamente di ambienti moderati.

1.2 Bilancio termoigrometrico del corpo umano Il corpo umano è un sistema termodinamico che riceve energia di prima

specie (energia chimica, derivante dalla reazione tra i carboidrati, contenuti in cibi e bevande, e l'ossigeno, contenuto nell'aria) e la trasforma in calore e lavoro, con rendimenti piuttosto bassi (<25%); questo processo prende il nome di metabolismo. Anche in condizioni di riposo il corpo umano produce calore, per garantire una temperatura interna al corpo di circa 37°C e costante, grazie a un sistema di termoregolazione il quale, a seconda delle condizioni climatiche esterne, interviene facendo variare la temperatura cutanea e regolando così gli scambi di calore.

La regolazione può essere di due tipi: basomotoria (o fisiologica) e comportamentale.

La regolazione basomotoria consiste nelle reazioni spontanee dell'organismo alle variazioni della temperatura interna.

Se questa tende ad aumentare, si ha una vasodilatazione dei capillari cutanei che provoca un aumento della circolazione sanguigna e della temperatura media della pelle, favorendo lo scambio termico per convezione ed irraggiamento; se ciò non risulta sufficiente, subentra il meccanismo della sudorazione, con perdita di calore per evaporazione dell'acqua prodotta dalle ghiandole sudoripare.

Se, al contrario, la temperatura interna tende a diminuire, si ha una vasocostrizione dei capillari, con diminuzione della dispersione di energia termica dovuta alla limitazione della circolazione sanguigna e al conseguente abbassamento della temperatura della pelle; anche in questo caso, se i processi descritti non sono sufficienti, l'organismo reagisce aumentando l'attività motoria involontaria (tremori e brividi).

Capitolo 1 – Benessere Termoigrometrico

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La regolazione comportamentale è invece volontaria: se la temperatura interna tende ad aumentare (a diminuire) l'organismo provvede a diminuire (ad aumentare) l'attività fisica e la resistenza termica dell'abbigliamento.

Il bilancio energetico del corpo umano può scriversi come segue:

EWRKCLSM −±±±±±±= (W/m2) (1.1)

in cui: M = potenza termica prodotta dal metabolismo (W/m2); S = potenza termica accumulata o ceduta dal corpo (W/m2); L = lavoro meccanico scambiato dal corpo con l'esterno (W/m2); C = potenza termica scambiata per convezione (W/m2); K = potenza termica scambiata per conduzione (W/m2); R = potenza termica scambiata per irraggiamento (W/m2); W = potenza termica scambiata attraverso la respirazione (W/m2); E = potenza termica scambiata per evaporazione e traspirazione (W/m2). La relazione (1.1) ha il seguente significato: in condizioni di equilibrio

termico, il calore prodotto dal corpo umano per effetto dei processi metabolici è interamente ceduto all'ambiente attraverso le diverse modalità di scambio termico; le quantità di calore scambiate per conduzione, convezione e irraggiamento costituiscono il calore sensibile, quelle scambiate per respirazione e traspirazione il calore latente.

Per ottenere le potenze globali scambiate da una persona si devono moltiplicare i termini della (1.1) per la superficie della pelle; questa può calcolarsi con la relazione di Du Bois:

0.7250.425sk h0.202mA = (m2) (1.2)

in cui:

Ask= superficie della pelle (m2); m = massa del soggetto (kg); h = statura del soggetto (m). Il valore ottenuto con la (1.2) deve essere moltiplicato per un fattore fcl (Tab.

1.1) definito come il rapporto tra la superficie di corpo coperta dagli abiti e la superficie nuda, per tener conto della reale superficie di scambio termico di un soggetto vestito.


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Tab. 1.1: Valori tipici di isolamento del vestiario Icl; fcl è un fattore di correzione che tiene conto della reale superficie di scambio termico di un soggetto vestito [1].

Abbigliamento fcl Icl (clo) Pantaloni aderenti, camicia a maniche corte 1.15 0.57 Pantaloni aderenti, camicia a maniche lunghe 1.20 0.61 Pantaloni aderenti, camicia a maniche lunghe, giacca 1.23 0.96 Pantaloni lenti, camicia a maniche lunghe, maglione, maglietta intima 1.28 1.01

Pantaloni lenti, camicia a maniche lunghe, maglione, giacca, biancheria intima pesante 1.33 1.30

Gonna, camicia a maniche corte, collant, sandali 1.26 0.54 Gonna, camicia a maniche lunghe, sottoveste, collant 1.29 0.67 Gonna lunga, camicia a maniche lunghe, giacca,collant 1.46 1.10 Tuta a maniche lunghe, maglietta 1.23 0.72

Analizziamo ora i singoli termini che compaiono nella (1.1): 1) metabolismo M: la produzione di energia per effetto del metabolismo

aumenta con il livello di attività svolta (da circa 45 W/m2 nel metabolismo basale fino ad un massimo di circa 450 W/m2 nelle attività più pesanti). L'unità di misura convenzionalmente impiegata è il met, alla quale corrisponde la potenza termica dissipata da un soggetto seduto a riposo (1 met = 58.15 W/m2). Alcuni valori di M per diversi livelli di attività sono riportati in tabella 1.2.

Per una valutazione più accurata, è necessario effettuare misure sui vari soggetti, con riferimento alla quantità di Ossigeno consumato e di Anidride Carbonica prodotta nella respirazione. Un'equazione empirica è stata proposta da Nishi [3]:

M = 351 (0.23 RQ + 0.77) VO2/Ask (W/m2) (1.3)

essendo: RQ = quoziente di respirazione, pari al rapporto tra il volume di CO2

prodotta e il volume di O2 immesso; VO2 = volume di O2 consumato (l/min) a T = 0°C e P = 1 atm.

Il consumo di Ossigeno, e di conseguenza il valore di RQ, dipendono dal

livello di attività, dalla dieta e dalle condizioni fisiche del soggetto. In tabella 1.3 sono riportati alcuni valori al variare del livello di attività.


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Tab. 1.2: Valori del metabolismo per diverse attività [1]. Attività soggetto met Attività soggetto met

coricato 0.7 fornaio 1.5 ÷ 2.0 seduto 1.0 operaio edile 4.0 ÷ 6.0 in piedi 1.2 operaio meccanico 3.5 ÷ 4.5 camminare lentamente 2.0 operaio elettrico 2.0 ÷ 2.5 camminare velocemente 2.6 commesso di negozio 2.0 ÷ 2.5 guidare un’automobile 1.5 orologiaio 1.0 ÷ 1.2 guidare una moto 2.0 tennis 3.6 ÷ 4.0 guidare un camion 3.2 squash 5.0 ÷ 7.0 guidare un aereo 2.0 pallacanestro 5.0 ÷ 7.6 pulire casa 2.5 ballo 2.4 ÷ 4.4 cucinare 1.8 golf 1.5 ÷ 2.5 fare shopping 1.6 pesca 1.2 ÷ 2.0

Tab. 1.3: Consumo di ossigeno per diversi livelli di attività [1]. Attività Ossigeno consumato (l/min)

leggera < 0.5 media 0.5 ÷ 1 pesante 1 ÷ 1.5 molto pesante 1.5 ÷ 2 estremamente pesante > 2

2) potenza termica ceduta o accumulata S: se si effettua un bilancio fra

l'energia termica perduta e quella acquisita dal corpo, in condizioni di omeotermia (ovvero in condizioni di regime stazionario) il termine S è nullo e l'equazione (1.1) diventa:

M = ± L ± C ± K ± R ± W – E (W/m2) (1.4) La quantità di calore immagazzinata nel corpo uguaglia l’incremento di

energia interna; tale calore può essere determinato considerando il corpo umano come un sistema costituito da due compartimenti termici, uno individuato dalla pelle, l’altro dagli organi interni e dai muscoli; il contributo di S può essere scomposto nei due termini seguenti:

τd

dTAmcα

S sk

sk

bp,sksk ⋅= (W/m2) (1.5)


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τd

dTA

)mcα(1S cr

k

bp,skcr ⋅

−=

s (W/m2) (1.6)

dove:

αsk = frazione della massa del corpo concentrata nel compartimento pelle; m = massa del corpo (kg); cp,b = calore specifico del corpo (kJ/kg°C); Ask = superficie di Du Bois (m2); Tcr = temperatura del compartimento interno (°C); Tsk = temperatura del compartimento pelle (°C); τ = tempo (s).

3) lavoro meccanico L: il lavoro meccanico fatto dai muscoli per una data

attività può essere espresso attraverso il rendimento meccanico del corpo μ = L/M. I valori di μ non superano generalmente il 5-10%; il valore massimo, in condizioni ottimali (ad es. pedalare in bicicletta), si aggira intorno al 20-25%; in tabella 1.4 sono riportati alcuni valori del rendimento meccanico per diverse attività. Nella (1.1) di solito L viene trascurato, essendo dello stesso ordine di grandezza dell'errore commesso nella determinazione di M.

4) potenza termica scambiata per convezione C: lo scambio di calore per convezione avviene tra la superficie corporea a diretto contatto con l'aria ambiente oppure ricoperta dal vestiario e l'aria. Lo scambio può avvenire in convezione naturale o forzata ed è regolato dal coefficiente di convezione hc

(Tab. 1.5). Per valori della pressione diversi dalla pressione atmosferica P0, si impega un coefficiente di convezione corretto fornito dalla [1]:

hcc = hc(P/P0)0.55 (W/m2 K) (1.7)

Tab. 1.4: Rendimento meccanico del corpo umano per diverse attività [4].

Attività Rendimento (%) Attività Rendimento (%) Spalare con busto piegato 3 Camminare in salita 15 Spalare con busto eretto 6 Salire le scale 20 Avvitare con cacciavite 5 Spingere un carrello 24 Sollevare pesi 9 Pedalare in bicicletta 25


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Tab. 1.5: Equazioni per il calcolo del coefficiente di convezione [1]. Equazione Campo di validità Autori

hc = 8.3v0.6 hc = 3.12

0.2 < v < 4.0 0.0 < v < 0.2 Mitchell

hc = 2.7 + 8.7v0.87 hc = 5.1

0.15 < v < 1.5 0.0 < v < 0.15 Colin - Houdas

hc = 8.6v0.53 0.5 < v < 2.0 v = velocità del soggetto Nishi - Gagge

hc = 5.7(M-0.8)0.39 1.1 < M < 3.0 Gagge et Al.

hc= 6.5v0.39 0.5 < v < 2.0 v = velocità del soggetto Nishi - Gagge

hc = 14.8v0.69 hc = 4.0

0.15 < v < 1.5 0.0 < v < 0.15 Seppenam et Al.

hc in W/m2K; v in m/s; M in met.

5) potenza termica scambiata per conduzione K: lo scambio di calore per conduzione avviene per contatto del corpo umano con oggetti solidi a temperatura diversa, sia direttamente sia attraverso la resistenza termica dei vestiti; questa varia con il tipo di abbigliamento e viene valutata (Tab. 1.1) con un'unità di misura convenzionale detta clo (1 clo = 0.155 m2°C/W), corrispondente ad un soggetto vestito tipicamente con slip, camicia, pantaloni, giacca, calzini, scarpe.

6) potenza termica scambiata per irraggiamento R: lo scambio di calore per

irraggiamento avviene tra la superficie del corpo umano, nuda o vestita, e le superfici circostanti; dipende dalle temperature e dalle emissività delle superfici ed è regolato dal fattore di radiazione hr, calcolabile con la relazione:

hr= 4εσ(A/Ask)[0.5(Tcl+ Tr)]3 (W/m2 K) (1.8)

in cui: ε = emissività media della superficie del corpo e del vestiario (-); σ = costante di Stefan-Boltzmann (5.679x10-8 W/m2K4); A = effettiva superficie corporea che partecipa agli scambi radiativi (es.

A/Ask= 0.696 per una persona seduta, A/Ask= 0.725 per una persona in piedi [5]);

Tcl = temperatura della superficie del vestiario (K); Tr = temperatura media radiante dell’ambiente (K) (paragrafo 1.3). La (1.8) si può risolvere per iterazioni successive, non essendo nota la Tcl;

più semplicemente, hr può calcolarsi con la:


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hr = 4.71 ε (W/m2 K) (1.9) 7) potenza termica scambiata attraverso la respirazione W: il corpo umano,

per effetto dei processi respiratori, generalmente cede all'ambiente calore, in quanto l'aria espirata è più calda di quella inspirata. Ad ogni atto respiratorio, entra nel corpo aria nelle condizioni di temperatura ed umidità relativa dell'ambiente ed esce aria ad una temperatura di circa 34°C ed in condizioni sature; per temperatura dell'aria pari a 20°C, la potenza termica ceduta, a seconda del livello di attività, varia tra 2 e 5 W/m2 e può essere trascurata nella (1.1); significativo risulta invece l'apporto di vapor d'acqua all'ambiente.

8) potenza termica scambiata per evaporazione E: la cessione di potenza

termica per evaporazione avviene in tre modi: a livello dell'epidermide (sudorazione), dei tessuti ed a livello polmonare; in generale, il liquido prodotto dall’organismo si deposita sulla superficie esterna del corpo; successivamente il liquido evapora, sottraendo al corpo umano una parte del calore latente di evaporazione. Complessivamente una persona può produrre fino a un litro di liquido per ora, a cui corrisponde una potenza termica di circa 675 W .

1.3 Gli indici del benessere Essendo numerosi i fattori che concorrono alla determinazione del

benessere, è difficile trovare un indice che possa comprenderli tutti ed essere impiegato per costruire una scala del benessere. Così sono stati suggeriti da vari Autori diversi indici, dei quali l'ASHRAE ha fornito una classificazione, distinguendoli in indici diretti, derivati razionalmente ed empirici [1].

Gli indici diretti sono ottenibili mediante operazioni di misura; tra essi ricordiamo:

− temperatura dell'aria (Ta); − temperatura di bulbo umido (Tb); − temperatura del punto di rugiada (Tdp); − temperatura a bulbo secco naturalmente ventilato (Tdb); − umidità relativa (φ); − velocità dell'aria (v). Gli indici derivati razionalmente sono ottenuti con relazioni tra grandezze

direttamente misurate; di questi vanno citati i seguenti: − temperatura media radiante (Tr): è la temperatura, uniforme, di una cavità

nera nella quale la quantità di calore scambiata per irraggiamento dal


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corpo umano eguaglia quella scambiata nell'ambiente reale, a temperatura non uniforme. Il suo valore, elevato alla quarta potenza, può essere determinato come somma delle temperature delle superfici circostanti il corpo, anch'esse elevate alla quarta potenza, ciascuna moltiplicata per il rispettivo fattore angolare corpo-superficie; questi ultimi furono determinati da Fanger per diverse posizioni del soggetto (seduto, in piedi, ecc.) e sono forniti da appositi normogrammi;

− temperatura operativa (To): è la temperatura uniforme di un ambiente fittizio nel quale il soggetto scambia per convezione e irraggiamento la stessa quantità di calore che scambia nell'ambiente reale;

− temperatura operativa umida (Toh): è la temperatura uniforme di un ambiente con φ=100%, nel quale un soggetto scambia globalmente una quantità di calore pari a quella che scambia nell'ambiente reale;

− indice di stress termico (HSI): è il rapporto percentuale tra la potenza termica totale perduta per evaporazione e necessaria per raggiungere l'equilibrio termico ed il valore massimo che tale grandezza può assumere nelle condizioni termoigrometriche dell'ambiente considerato. Quando HSI>100 si ha un riscaldamento del corpo; quando HSI<0 si ha un raffreddamento del corpo; nelle situazioni intermedie si hanno diverse condizioni di sforzo termico.

Gli indici empirici, infine, stabiliscono una correlazione tra parametri ambientali e sensazioni; tra questi ricordiamo:

− temperatura effettiva (ET) (Fig. 1.1): combina gli effetti di temperatura a bulbo secco, a bulbo umido ed umidità, in modo tale che ambienti anche con valori diversi di detti parametri producano una sensazione termica equivalente; essa è definita come la temperatura di bulbo secco di un ambiente mantenuto in condizioni uniformi ed avente umidità relativa pari al 50%, nel quale le persone scambiano globalmente la stessa quantità di calore dell'ambiente ad umidità variabile utilizzato durante le prove; le persone sono in attività sedentaria (M = 1 met), la velocità dell'aria è 0.2 m/s ed il tempo di esposizione è di un'ora; la prova è condotta facendo esprimere ad un campione rappresentativo di individui un giudizio di equivalenza di sensazione termica tra un ambiente di riferimento e l'ambiente reale;


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Fig. 1.1: Diagramma ASHRAE del benessere [1].

− temperatura effettiva corretta (ET*): deriva dalla correzione di ET, fisicamente esprime lo stesso concetto di ET combinando in un unico indice temperatura ed umidità. La temperatura effettiva corretta è definita in termini di temperatura operativa e per la sua stessa origine coinvolge temperatura media radiante, temperatura dell’aria e pressione del vapor d’acqua. Essa è definita dall'ASHRAE come la temperatura equivalente dell’aria di un ambiente isotermico con umidità relativa del 50% in cui un soggetto avrebbe la stessa sensazione termica, lo stesso carico fisiologico e gli stessi scambi termici che ha nell'ambiente reale con la stessa velocità dell'aria: su tale indice si basa la scala del Diagramma ASHRAE del benessere;

− temperatura del globotermometro (Tg): è la temperatura di equilibrio raggiunta da una cavità nera del diametro di circa 15 cm, collocata all'interno dell'ambiente; essa combina gli effetti fisici della temperatura di bulbo umido, della velocità dell'aria e dello scambio di calore per irraggiamento;

− voto medio previsto (PMV): è un indice che esprime il giudizio che un


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gruppo di individui dà, mediamente, di un ambiente; la sensazione termica è quantificata per mezzo di una scala soggettiva che assegna ad ogni ambiente un voto:

+3 molto caldo +2 caldo +1 leggermente caldo 0 neutralità termica -1 leggermente freddo -2 freddo -3 molto freddo

tale indice è una funzione complessa dell'attività svolta,

dell'abbigliamento, della temperatura dell'aria, della temperatura media radiante, dell'umidità relativa e della velocità dell'aria. Sulla base degli esperimenti di Fanger i valori di PMV sono stati tabulati in funzione di 3500 combinazioni delle variabili indipendenti;

− percentuale prevista di insoddisfatti (PPD): poiché il PMV rappresenta la media dei voti espressi dalle persone, tali dati presentano una certa dispersione attorno al valor medio. Fanger valutò statisticamente gli insoddisfatti nei confronti delle condizioni termoigrometriche di un dato ambiente, intendendo come tali tutti quelli che manifestarono il giudizio con i voti +3, +2, -2, -3. Correlando la PPD e il PMV ottenne la curva indicata in figura 1.2, dalla quale si evince che, se anche PMV = 0, si ha una PPD pari al 5%;

Fig. 1.2: Voto medio previsto in funzione della percentuale prevista di insoddisfatti [5].


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− indice di vento freddo (WCI): è un indice introdotto per valutare le perdite di calore del corpo umano quando è soggetto a condizioni severe in climi freddi;

− indice di temperatura con bulbo umido e globotermometro WBGT: è un indice che correla due grandezze derivate, la temperatura a bulbo umido e la temperatura del globotermometro e, in alcuni casi, una grandezza fondamentale, ossia la temperatura a bulbo secco (temperatura dell’aria). Le relazioni tra queste diverse grandezze sono indicate nelle seguenti espressioni:

WBGT = 0.7 Twb + 0.2 Tg+ 0.1 Tdb (°C) (1.10)

WBGT = 0.7 Twb + 0.2 Tg (°C) (1.11)

con la (1.10) valida per misure all’esterno degli edifici, in presenza di irraggiamento solare, mentre la (1.11) è specifica per misure all’interno o all’esterno degli edifici in assenza di irraggiamento solare. Tale indice permette la valutazione dello stress termico in funzione delle variazioni spazio-temporali delle grandezze che ivi compaiono.

1.4 Temperatura dell'aria La temperatura dell'aria è il più importante tra i fattori che influenzano il

benessere termoigrometrico. Il corpo umano può percepire la sensazione termica mediante variazioni della temperatura superficiale della pelle, la quale si trova continuamente a confronto con la temperatura dell'aria e con la temperatura media radiante. La temperatura dell'aria non è sufficiente a definire le condizioni di benessere e con il solo controllo di essa la percentuale di soggetti pienamente favorevoli non supera il 60-65%, con una percentuale di insoddisfatti del 5% ed il rimanente 30-35% in condizioni di leggera insoddisfazione.

In uno studio condotto da Hoppe [6], l'andamento della temperatura media della pelle viene dato in funzione della temperatura dell'aria (Fig. 1.3): un soggetto campione dell'età di 35 anni, in condizioni di riposo (M = 1 met), con resistenza termica del vestiario pari a 1 clo, è stato sottoposto a condizioni di temperatura dell'aria variabili, mantenendo costanti temperatura media radiante Tr, umidità relativa φ e velocità dell’aria v. La temperatura media della pelle aumenta rapidamente con la temperatura dell'aria, fino a che quest'ultima non


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raggiunge il valore di circa 21°C, oltre il quale la tendenza all'aumento è molto meno marcata (linea continua); il valore medio ottimale, secondo Fanger, della temperatura superficiale della pelle è di circa 32.6°C, ed è praticamente indipendente dalla temperatura dell'aria (linea tratteggiata). Si è pertanto riscontrato un valore ideale della temperatura dell'aria leggermente superiore a 20°C.

La Normativa UNI EN ISO 7730 [8] considera ottimale la temperatura dell'aria quando la percentuale degli insoddisfatti per tale parametro risulti minore del 10%, corrispondente ad un PMV compreso tra -0.5 e +0.5. In termini di temperatura operativa, per attività sedentaria, sono indicati i seguenti intervalli:

- To = 20 ÷ 24 °C in condizioni invernali; - To = 23 ÷ 26 °C in condizioni estive. Attualmente, la nuova norma ISO DIS 7730 [7] individua tre categorie di

ambienti termici moderati con diversi valori della PPD e del PMV, espressi in funzione dell’attività del soggetto e della resistenza termica dell’abbigliamento. Alle tre categorie corrispondono rispettivamente condizioni molto stringenti dal punto di vista termoigrometrico (categoria A), condizioni intermedie (categoria B), fino ad ambienti in cui le condizioni di comfort microclimatico forniscono valori più elevati della PPD (categoria C). In termini di temperatura operativa, il valore consigliato è lo stesso per le tre categorie, quello che cambia è il range di variabilità dall’intorno del valore stesso (par. 1.6, Tab. 1.7).

La normativa UNI-CTI 10339 [9] indica per temperatura ed umidità relativa i valori riportati in Tab. 1.6, suggeriti per locali di uso generale e da correggere per locali ad uso speciale (ospedali, sale operatorie, musei, scuole, ecc.), qualora siano presenti superfici con temperatura notevolmente diversa da quella dell'aria o per edifici in cui si riscontrano particolari valori dell’attività metabolica (palestre) o della resistenza termica del vestiario (piscine). Le disuniformità dovute alla presenza di pareti od oggetti a temperatura diversa da quella dell'aria ed alla stratificazione non devono superare l’1%.

Tab. 1.6: Valori di progetto di temperatura e umidità relativa per locali generici raccomandati dalla UNI-CTI 10339 [9].

Variabile Inverno Estate Temperatura interna (°C) ≤ 20 ≥ 26 Umidità relativa minima (%) 35 50 Umidità relativa massima (%) 45 60


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Fig. 1.3: Legame tra temperatura media della pelle e temperatura dell'aria; la linea continua rappresenta l'andamento di Tsk secondo gli studi di Hoppe [6], la linea tratteggiata rappresenta il valore medio di Tsk ritenuto da Fanger [10] ottimale per le condizioni di comfort termoigrometrico.

1.5 Umidità relativa L'umidità dell'aria in un ambiente confinato condiziona non soltanto il

benessere ma anche la salute dei suoi occupanti. E' noto che le sensazioni dipendono dall'umidità relativa e non dall'umidità specifica. Valori troppo bassi dell'umidità relativa hanno effetti negativi sulle mucose del tratto superiore dell'apparato respiratorio, che può divenire più secco e perdere parzialmente la sua funzione di protezione contro le infezioni; altri spiacevoli effetti sono la secchezza dei capelli e della pelle, un maggior trasporto di polveri da parte dell'aria, l'accumulo di cariche elettrostatiche.

Se, viceversa, l'umidità relativa assume valori troppo elevati, gli effetti negativi sono la condensazione su superfici fredde, con umidificazione dei materiali che le costituiscono e successiva formazione di muffe.

La diminuzione dell'umidità relativa può dipendere dalla presenza di sostanze igroscopiche o di superfici ad una temperatura inferiore alla temperatura di rugiada dell'aria; l'aumento di umidità relativa è dovuto alla presenza di persone, piante, animali, superfici evaporanti libere, cibi e bevande.

La norma UNI-CTI 10339 [9] suggerisce i valori di umidità relativa riportati in tabella 1.6, associati a differenti valori di temperatura. Il diagramma ASHRAE del benessere (paragrafo 1.8.2) indica un'area di benessere delimitata fra valori di umidità relativa compresi tra il 30 e il 70%. Gli stessi valori sono riportati nella norma UNI-EN-ISO 7730 [8] sia per il caso invernale che estivo.

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