Comfort ambientale. I parametri fisici del comfort ambientale e gli ...

Gruppo di lavoro Prof. Arch. Giuliano Dall’O’ (Coordinatore) Ing. Elisa Bruni Arch. Ph.D. Annalisa Galante Arch. Angela Panza

INDICE

1 LE INTERAZIONI TERMICHE TRA UOMO E AMBIENTE . 2

1.1 La variazione dell’energia interna S ................................................ 3

1.2 L’attività metabolica M .................................................................. 3

1.3 La potenza meccanica scambiata con l’esterno ............................. 4

1.4 Il flusso termico scambiato per evaporazione ................................ 4

1.5 Il flusso termico e l’influenza dell’abbigliamento ........................... 5

2 METODI PER LA VALUTAZIONE DEL BENESSERE ......... 7

2.1 La temperatura operante ............................................................... 7

2.2 Il diagramma ASHRAE del benessere.............................................. 8

3 CRITERI DI VALUTAZIONE ........................................ 11

COMFORT E STRUMENTI DI MISURA – Sistemi per la valutazione del benessere ambientale

2

1 LE INTERAZIONI TERMICHE TRA UOMO E AMBIENTE Le interazioni tra l’uomo e l’ambiente sono dovute a meccanismi di scambio di calore e

di massa abbastanza complessi ed il benessere termico è definibile con un certo grado

di approssimazione in quanto le reazioni di ciascun individuo ad una determinata

sollecitazione esterna possono essere differenti. L’obiettivo è quello di definire dei

parametri climatici interni che siano in grado di soddisfare il maggior numero di persone.

L’ASHRAE Standard 55-92 (Thermal environmental conditions for human occupancy)

definisce il benessere termico come atteggiamento mentale di soddisfazione per

l’ambiente dal punto di vista termico. I fattori che interagiscono sono molteplici e legati

sia alle condizioni dell’ambiente che a quelle dell’individuo. I più importanti sono i

seguenti:

• temperatura, umidità e velocità dell’aria;

• temperatura delle pareti che delimitano l’ambiente interno;

• abbigliamento dell’individuo;

• attività svolta.

L’uomo, come tutti gli animali a sangue caldo, ha la capacità di mantenere la

temperatura interna del corpo pressoché costante, attraverso un meccanismo di

termoregolazione che garantisce l’equilibrio tra l’energia generata dal metabolismo e

quella dissipata.

Il sistema di termoregolazione, che ha sede nell’ipotalamo, quando si manifesta una

sensazione di caldo aumenta la temperatura superficiale corporea con un maggior

afflusso superficiale di sangue (vasodilatazione) e la sudorazione; quando si manifesta

una sensazione di freddo, diminuisce invece la temperatura superficiale

(vasocostrizione) fino a far comparire i brividi che sono una involontaria attività

muscolare che richiede una supplementare attività metabolica. Nel primo caso il flusso

di calore corpo/ambiente aumenta, nel secondo diminuisce.

La sensazione di benessere degli individui è una diretta conseguenza delle sollecitazioni

alle quali viene sottoposto il meccanismo di termoregolazione.

I complessi fenomeni di scambio tra il corpo umano e l’ambiente che lo circonda

possono essere riassunti da un’equazione del tipo:

S M P E R C= − ± ± ± ±( ) (1)

dove:

S è la variazione dell’energia interna del corpo nell’unità di tempo

M è la potenza termica dovuta all’attività metabolica

P è la potenza meccanica scambiata dal corpo con l’ambiente esterno

E è la potenza termica associata alla perdita d’acqua per evaporazione dal corpo

R è il flusso termico scambiato per irraggiamento tra corpo e ambiente

C è il flusso termico scambiato per convezione tra corpo e ambiente

C, R ed E sono quantità assunte positive se cedute dal corpo all’ambiente, P è assunto

positivo se il lavoro è fatto dal corpo, negativo se subito; M è sempre positivo.


3 1.1 La variazione dell’energia interna S

Poiché il meccanismo di termoregolazione del corpo umano tende a mantenere

costante la temperatura corporea, si può assumere che, per una esposizione

sufficientemente lunga ad un ambiente non troppo caldo e non troppo freddo, con

attività svolta costante, non vi sia apprezzabile variazione di energia interna e, pertanto,

è lecito considerare

S ≅≅≅≅ 0.

1.2 L’attività metabolica M

L’entità del metabolismo è strettamente correlata allo stato di salute e al tipo di

alimentazione.

Viene definito basale il metabolismo corrispondente al fabbisogno calorico

strettamente necessario per il mantenimento delle funzioni vitali in condizioni di riposo

o di neutralità termica: con temperature ambientali di 29÷31 °C per individui nudi e di

25÷29°C per individui vestiti non si ha variazione della temperatura corporea e neppure

dell’attività evotraspiratoria.

In termini di nutrizione questo significa che l’individuo dovrà, per mantenere l’equilibrio

ponderale, apportare con gli alimenti un numero di calorie uguale al metabolismo

basale, che per un uomo adulto di media corporatura è pari a circa 1700 kcal/giorno.

Attività M/A

(W/m2)

M (*)

(W) met ηηηη

In riposo dormiente 43 77 0,7 0

In riposo coricato 46 84 0,8 0

In riposo seduto 58 104 1,0 0

In riposo in piedi 70 125 1,2 0

In cammino a 3,2 km/h 116 209 2,0 0

In cammino a 8 km/h 336 436 5,8 0

In salita 5% a 1,6 km/h 139 216 2,4 0,07

In salita 25% a 1,6 km/h 209 324 3,6 0,20

Lavoro di piccone e pala 232÷278 418÷501 4÷4,8 0,1÷0,2

Pulizie di casa 116÷197 209÷355 2,0÷3,4 0÷0,1

Scrivere a macchina 64 115 1,1 0

Disegnare 70 125 1,2 0

Ginnastica 174÷232 313÷418 3,0÷4,0 0÷0,1

Danza 139÷255 251÷459 2,4÷4,4 0

Lotta 505 908 8,7 0÷0,1 (*) Riferita ad A=1,8 m2

Tab. 1 Valori di metabolismo, e relativi livelli in met per diversi tipi di attività.

Al crescere dell’attività il valore del metabolismo aumenta a sua volta, passando, ad

esempio, da 43 W/m2 per l’individuo dormiente a 64 W/m2 per una dattilografa fino ad

arrivare a 505 W/m2 per i lottatori in combattimento.


4 Per semplificare i problemi pratici è stata introdotta un’unità metabolica specifica, il

“met”, definito come l’energia trasformata per metabolismo per unità di tempo e di

superficie corporea da un individuo di corporatura media (superficie corporea

disperdente assunta pari a 1,8 m2).

Per un individuo seduto, in riposo, risulta che:

1 met = 58 W/m2

In Tabella 1 sono riportati i valori di metabolismo, e relativi livelli in “met”, per diversi

tipi di attività.

1.3 La potenza meccanica scambiata con l’esterno

Il termine P tiene conto del lavoro eseguito dall’individuo sull’ambiente esterno e non,

quindi, dell’intera sua attività.

Camminare in piano, ad esempio, non comporta una produzione di lavoro nel senso

fisico del termine e così, ad esempio, scrivere a macchina o disegnare.

Quando un individuo solleva un peso, invece, compie un lavoro esterno non nullo e una

parte dell’energia di metabolismo viene trasformata in energia potenziale nel campo

gravitazionale.

Si può definire, quindi, un rendimento meccanico per le diverse attività esplicabili da un

individuo:

η = P/M

Il termine P può assumere anche un valore negativo: si pensi ad esempio ad un individuo

che cammina in discesa. Nell’ultima colonna di Tabella 1 sono riportati i valori del

rendimento η per alcune attività.

1.4 Il flusso termico scambiato per evaporazione

Il termine E, flusso termico scambiato per evaporazione, è la somma di tre addendi.

Il primo, che indichiamo con Ed in accordo con le annotazioni di Fanger, rappresenta la

potenza termica dispersa per perspirazione, ossia per evaporazione insensibile

dell’acqua a livello cutaneo e respiratorio. L’aggettivo insensibile in questo caso significa

“che prescinde dai sensi” in quanto questo fenomeno, lento e continuo, avviene

indipendentemente dal lavoro muscolare e dalla temperatura esterna e non è

influenzabile da parte del sistema di regolazione del corpo umano.

Il secondo, che indichiamo con Esw, tiene conto della potenza termica dispersa per

traspirazione. La traspirazione costituisce uno dei dispositivi fondamentali della

termoregolazione. Quando la temperatura della pelle supera i 36°C (normalmente le

dita dei piedi sono a 27°C, braccia e gambe a 32°C, la fronte a 34÷35°C) le ghiandole

sudoripare vengono stimolate ed iniziano a secernere sudore; l’evaporazione consente

di dissipare una consistente quantità di calore, mantenendo praticamente costante la

temperatura della pelle.


5 Il terzo, infine, Ere, rappresenta la potenza termica ceduta all’aria per evaporazione dalle

mucose dell’apparato respiratorio.

I termini Esw ed Ere sono influenzati dal valore dell’umidità dell’aria nell’ambiente, tanto

più l’umidità è elevata, tanto minore è il valore di Esw e di Ere.

In condizioni normali di benessere, tutto il sudore secreto evapora, mentre nelle

giornate umide e calde la pelle si ricopre di un velo di sudore che stenta ad evaporare,

soprattutto se l’aria circostante è ferma.

1.5 Il flusso termico e l’influenza dell’abbigliamento

Il termine R individua il calore ceduto o assorbito per irraggiamento dal corpo attraverso

gli abiti, così come il termine C individua quello scambiato per convenzione sempre

attraverso gli abiti, ma anche per mezzo della respirazione.

Il flusso R è determinato dalle temperature superficiali dei corpi che ci circondano

(pareti, soffitto, pavimento, ecc.): se hanno valori superiori o inferiori a quelli delle

superfici degli abiti o della pelle, accade che il calore assorbito o ceduto per

irraggiamento dal nostro corpo modifica il bilancio energetico e quindi entrano in azione

i sistemi di termoregolazione: quello già visto della sudorazione e l’altro, anch’esso di

grande importanza, della attività vasomotoria.

Il termine C, è invece influenzato dalle condizioni dell’aria che ci circonda ed in

particolare dalla temperatura e dalla velocità.

Il flusso termico tra ambiente e superficie del corpo (R + C) è influenzato dal tipo di

abbigliamento; per definire la resistenza termica globale tra la superficie della pelle e la

superficie esterna degli abiti, viene utilizzato un parametro adimensionale (clo), dato dal

rapporto tra la resistenza termica globale dell’abito considerato (rcl) e una resistenza

termica di riferimento pari a 0,155 m2K/W:

155,0

rI cl

cl = (2)

Per il corpo nudo Icl = 0 clo; i valori di rcl, e quindi di Icl, vengono ricavati

sperimentalmente, per vari tipi di abbigliamento (Tabella 2).

Gli studi sperimentali condotti da Fanger su un campione esteso di individui hanno

dimostrato che la temperatura superficiale corporea e il flusso termico associato alla

sudorazione, quando l’individuo si trova in condizioni di benessere, possono essere

correlati all’attività metabolica specifica; l’influenza di altre variabili, quali la

temperatura media radiante e l’abbigliamento, non è significativa.

Le sperimentazioni hanno permesso a Fanger di elaborare una equazione, detta

equazione del benessere, che si presta ad essere risolta rispetto a qualunque variabile

si voglia determinare per garantire condizioni di benessere termico in un ambiente.

Ad esempio, per un dato tipo di attività e un certo abbigliamento, è possibile valutare le

diverse combinazioni di condizioni ambientali (temperatura dell’aria, temperatura

media radiante, velocità dell’aria e umidità relativa) che corrispondono alle condizioni

di benessere e tra queste scegliere, ove esista, la più opportuna.


6

Tipo di abbigliamento rcl

(m2°C/W)

Icl

(clo) fcl(*)

Tipo di

abbigliamento

Nudo 0 0 1,0 Nudo

Pantaloncini corti 0,016 0,1 1,0 Pantaloncini corti

Tipica tenuta tropicale 0,047 0,3 1,05 Tipica tenuta

tropicale

Abbigliamento leggero estivo 0,078 0,5 1,1 Abbigliamento

leggero estivo

Tenuta da lavoro leggera 0,11 0,7 1,1 Tenuta da lavoro

leggera

Abbigliamento invernale per

interni 0,16 1,0

1,15

Abbigliamento

invernale per

interni

Tenuta tradizionale europea

pesante per lavoro 0,23 1,5 1,2

Tenuta

tradizionale

europea pesante

per lavoro

Abbigliamento in uso nei paesi

a clima polare 0,46÷0,62 3÷4 1,4

Abbigliamento in

uso nei paesi a

clima polare (*) fcl = rapporto tra l’area della superficie del corpo abbigliato e l’area della superficie del corpo nudo

Tab. 2 Resistenza termica specifica per differenti tipi di abbigliamento.


7 2 METODI PER LA VALUTAZIONE DEL BENESSERE Il metodo di Fanger consente di effettuare accurate valutazioni del benessere

ambientale nelle più diverse situazioni. In molti casi, tuttavia, i campi di variazione di

alcuni dei parametri che determinano il bilancio del corpo umano non possono

assumere valori arbitrari; questi vincoli semplificano quindi il procedimento progettuale.

2.1 La temperatura operante

Se la temperatura media radiante tmr non differisce molto dalla temperatura a bulbo

secco dell’aria, lo scambio radiativo R tra un individuo e l’ambiente che lo circonda può

essere linearizzato secondo l’equazione:

( )R A f h t tDu cl r cl mr= ⋅ ⋅ ⋅ − (3)

dove:

ADu superficie corporea (assunta pari a 1,8 m2)

fcl rapporto tra l’area coperta e quella scoperta (corpo nudo)

hr coefficiente di radiazione (W/m2 K)

tcl temperatura superficiale media del corpo abbigliato

tmr temperatura radiante media delle pareti, definibile, con buona approssimazione,

come la media pesata delle temperature superficiali interne

Lo scambio termico sensibile (R + C) tra corpo e ambiente si può esprimere attraverso la

seguente equazione:

( ) ( )R C A f h t t A f h t tDu cl r cl mr Du cl c cl a+ = ⋅ ⋅ ⋅ − + ⋅ ⋅ ⋅ − (4)

dove:

hc coefficiente di scambio per convezione (W/m2 K)

ta temperatura media dell’aria ambiente

Ponendo il coefficiente di adduzione h = hc + hr, la (4) diventa:

( )R C A f h t tDu cl cl o+ = ⋅ ⋅ ⋅ − (5)

dove to, esprimibile dalla relazione:

th t h t

h hor mr c a

r c

=++ (6)


8 prende il nome di temperatura operante, che risulta pertanto la media tra la

temperatura media radiante e la temperatura dell’aria, ciascuna pesata con il rispettivo

coefficiente di scambio termico.

Nei casi d’interesse per questa trattazione (bassa velocità dell’aria, temperature medie

radianti non molto elevate) risulta hc ≅ hr , per cui la (6) diventa:

tt t

omr a=

+2

(7)

La temperatura operante definita dalla (7) è un parametro di notevole interesse pratico

perché tiene conto di due variabili, la temperatura media radiante e la temperatura

dell’aria e può costituire un primo parametro di valutazione dell’ambiente dal punto di

vista del benessere, almeno per la stagione invernale.

2.2 Il diagramma ASHRAE del benessere

Nel caso di edifici destinati ad abitazione e ad ufficio, la definizione dei parametri che

consentono di configurare le condizioni di benessere diventa relativamente semplice

sulla base delle seguenti considerazioni:

• l’attività metabolica da prendere in considerazione è quella relativa al riposo (1 met)

oppure a lavoro moderato (1,2÷1,5 met);

• può essere assunto un tipo di abbigliamento standard come riferimento di prima

approssimazione;

• la velocità dell’aria può essere assunta ≤ 0,15÷0,2 m/s in quanto dovuta al

movimento delle persone, a fenomeni di convezione naturale e di immissione

dell’aria portata dalle bocchette dell’impianto di condizionamento;

• la temperatura media radiante si può ritenere molto prossima alla temperatura

dell’aria, purché non sia previsto un impianto a pannelli radianti.

Fissata l’attività metabolica, la velocità dell’aria e il tipo di abbigliamento, i parametri

che possono variare sono la temperatura e l’umidità; è possibile dunque tracciare su un

diagramma psicrometrico il luogo di punti rappresentativi delle condizioni di benessere.

Il diagramma del benessere proposto dall’ASHRAE (Standard 55-92) è riportato in Figura

1; esso è basato su indagini statistiche ed è relativo ad attività sedentaria (1 ÷ 1,2 met),

a velocità dell’aria inferiore a 0,17 m/s e ad un abbigliamento con valori compresi tra

0,5 e 0,7 clo. Viene definito come “ambiente termicamente accettabile” quello in cui

almeno l’88% di uomini e donne nordamericani, normalmente vestiti e svolgenti attività

sedentaria o quasi, si trovano in condizioni di benessere termico.


9 Linee a ET* costante

Zona di benessere secondo ASHRAE

Zona di benessere secondo KSU

Comfort secondo Fanger

Comfort secondo Givoni

Fig. 1 Diagramma psicrometrico con diversi criteri di valutazione del benessere

Nel diagramma del benessere proposto dall’ASHRAE è indicata la scala della cosiddetta

“nuova temperatura effettiva” ET* che viene definita come la temperatura a bulbo secco

di una cavità nera col 50% di umidità relativa in cui un individuo scambia una quantità

di energia pari a quella nell’ambiente considerato. Il campo di accettabilità è definito da

temperature effettive ET* comprese tra 22 °C e 25,5 °C e da valori di pressione parziale

del vapor d’acqua compresi tra 4 e 14 mm Hg (che corrispondono, per le temperature

considerate, a valori di umidità relativa nell’intervallo 20÷65%).

Le linee a ET* costante sono state derivate analiticamente dall’equazione di bilancio e

sono luoghi di punti a ugual percentuale di superficie corporea interessata dal fenomeno


10 della traspirazione, corrispondenti anche a “uguale sforzo fisiologico del meccanismo di

termoregolazione”.

In Figura 1 è anche rappresentato il contorno della zona di benessere derivato da

indagini simili, svolte presso la Kansas State University, USA, in condizioni leggermente

diverse (1 met, abbigliamento con 0,4 ÷ 0,6 clo).

I valori di temperatura proposti dall’ASHRAE e dalla KSU non sono in accordo, per la

stagione invernale, con le abitudini e le normative italiane; gli studi nordamericani,

infatti, considerano che per tutta la durata dell’anno l’abbigliamento di chi sta in

ambienti climatizzati sia pressoché uguale e piuttosto leggero.

Ancora in figura 4.9 sono riportate le linee che rappresentano l’equazione di benessere

secondo Fanger con 1 met, v = 0,1 ÷ 0,15 m/s e tre tipi di abbigliamento. Nella stessa

figura, infine, è riportata anche la delimitazione della zona di comfort proposta da Givoni

nella sua carta bioclimatica.


11 3 CRITERI DI VALUTAZIONE Il gradimento delle condizioni ambientali da parte di un campione di persone può essere

espresso con il valore medio di una votazione espressa dal campione stesso e basata su

una scala di “sensazione termica”; l’ASHRAE propone la seguente scala:

+ 3 = molto caldo

+ 2 = caldo

+ 1 = leggermente caldo

0 = confortevole

- 1 = leggermente freddo

- 2 = freddo

- 3 = molto freddo

Basandosi sulla scala di proposta dall’ASHRAE, Fanger ha sviluppato una metodologia

per la valutazione della sensazione termica indicata come PMV (Predicted Mean Vote).

Secondo Fanger, la sensazione termica, ad un dato livello di attività, è funzione della

“sensazione termica” del corpo definita come la differenza tra la produzione interna di

calore per una data attività e la perdita di calore che avrebbe l’individuo se mantenesse

la temperatura della pelle e la traspirazione ai valori corrispondenti al benessere per

l’attività considerata.

La relazione proposta da Fanger per il calcolo del PMV è la seguente:

LMPMV ⋅+−= ]028,0)036,0exp(303,0[ (8)

dove L è il carico termico del corpo, definito come la differenza tra la produzione di

calore interna e le perdite termiche effettive verso l’ambiente esterno.

PMV

-2 -1 0 1 2 3-3

1

5

10

20

30

50

100PPD (%)

Fig. 2 Percentuale di persone non soddisfatte (PPD) in funzione del voto medio previsto

(PMV).


12 Può essere utile, a volte, conoscere a priori quale può essere l’effetto sull’utenza di

alcune scelte progettuali o gestionali, di un edificio o di un impianto, rispetto ad altre. In

questi casi può risultare più comodo, o di maggiore chiarezza, anziché ricorrere ad un

voto, valutare direttamente la percentuale di persone che in una data situazione

ambientale potrebbero esprimere, se richiesti, un apprezzamento negativo.

Sulla base degli esperimenti già citati, Fanger ha ricavato la relazione tra PMV e PPD

(Predicted Percentage of Dissatisfied) che definisce la percentuale di persone

insoddisfatte.

Dalla curva che visualizza la relazione che lega PMV a PPD, riportata in Figura 2, è

interessante osservare come PPD non si annulli nemmeno quando PMV è uguale a 0

(massimo comfort) in accordo al fatto che condizioni in grado di soddisfare l’equazione

del benessere possono, statisticamente, non essere di gradimento per alcun gruppo di

persone.

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