Indice dei contenuti Capitolo 1 BENESSERE

Indice dei contenuti
Capitolo 1
BENESSERE TERMOIGROMETRICO
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Introduzione ..................................................................................pag.
Bilancio termoigrometrico del corpo umano..................................pag.
Gli indici del benessere .................................................................pag.
Temperatura dell'aria ....................................................................pag.
Umidità relativa..............................................................................pag.
Velocità dell'aria ............................................................................pag.
Cause di discomfort locale ............................................................pag.
1.7.1 L'asimmetria radiante .......................................................pag.
1.7.2 Il gradiente termico verticale ............................................pag.
1.7.3 La temperatura del pavimento .........................................pag.
1.7.4 Le correnti d'aria...............................................................pag.
1.8 I diagrammi del benessere............................................................pag.
1.8.1 I diagrammi del benessere di Fanger...............................pag.
1.8.2 Il diagramma ASHRAE del benessere .............................pag.
1.9 I nuovi modelli adattivi ...................................................................pag.
1.10 Riferimenti normativi......................................................................pag.
1.11 Elenco dei simboli .........................................................................pag.
1.12 Bibliografia.....................................................................................pag.
1
2
8
12
14
15
16
17
18
20
21
23
24
26
26
28
31
32
Capitolo 2
QUALITA’ DELL’ARIA INTERNA E SISTEMI DI FILTRAZIONE
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
Generalità......................................................................................pag.
Principali inquinanti .......................................................................pag.
Unità olf e decipol..........................................................................pag.
Sindrome da edifici insalubri .........................................................pag.
Determinazione della portata d’aria di ventilazione ......................pag.
2.5.1 Normative in materia di ventilazione ................................pag.
2.5.2 CEN Ventilation of buildings
Design criteria for the indoor environment .......................pag.
2.5.3 ASHRAE 62-2004 ............................................................pag.
Sistemi di filtrazione ......................................................................pag.
2.6.1 Generalità.........................................................................pag.
2.6.2 Classificazione dei filtri
in base al principio di funzionamento ...............................pag.
35
36
39
40
41
41
42
49
52
52
53
I
Impianti di climatizzazione e condizionamento
2.6.3
2.7
2.8
Classificazione dei filtri
in base all’efficienza di filtrazione.....................................pag.
2.6.4 Criteri di scelta dei sistemi di filtrazione ...........................pag.
Elenco dei simboli .........................................................................pag.
Bibliografia.....................................................................................pag.
60
65
67
68
Capitolo 3
CALCOLO DEI CARICHI TERMICI
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
Generalità......................................................................................pag.
Calcolo in condizioni estive e invernali..........................................pag.
I carichi termici estivi .....................................................................pag.
I carichi termici invernali ................................................................pag.
Condizioni esterne di progetto ......................................................pag.
Condizioni interne di progetto .......................................................pag.
Trasmissione attraverso l'involucro edilizio...................................pag.
3.7.1 Pareti opache ...................................................................pag.
3.7.2 Pareti vetrate ....................................................................pag.
3.7.3 Coperture .........................................................................pag.
3.7.4 Solai .................................................................................pag.
Irraggiamento solare .....................................................................pag.
3.8.1 Metodo della differenza di temperatura equivalente ........pag.
3.8.2 Fattori di accumulo ...........................................................pag.
Ponti termici...................................................................................pag.
Infiltrazioni d'aria e ventilazione ...................................................pag.
Carichi termici interni.....................................................................pag.
3.11.1 Persone ............................................................................pag.
3.11.2 Macchinari ........................................................................pag.
3.11.3 Illuminazione ....................................................................pag.
3.11.4 Altri contributi....................................................................pag.
Elenco dei simboli .........................................................................pag.
Bibliografia.....................................................................................pag.
69
70
72
73
74
77
78
79
85
89
90
91
92
96
99
99
102
102
102
103
103
104
105
Capitolo 4
CLASSIFICAZIONE DEGLI IMPIANTI
4.1
4.2
II
Generalità......................................................................................pag.
Impianti di riscaldamento e climatizzazione ..................................pag.
4.2.1 Impianti centralizzati.........................................................pag.
4.2.2 Impianti autonomi .............................................................pag.
107
108
108
114
Indice dei contenuti
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
Impianti di condizionamento .........................................................pag.
Impianti a tutt’aria ..........................................................................pag.
4.4.1 Impianti a portata costante...............................................pag.
4.4.2 Impianti a portata variabile ...............................................pag.
4.4.3 Sistemi monocondotto e a doppio condotto.....................pag.
4.4.4 Sistemi multizone .............................................................pag.
Impianti di condizionamento misti aria-acqua ...............................pag.
Elenco dei simboli .........................................................................pag.
Bibliografia.....................................................................................pag.
114
117
117
118
118
120
121
127
127
Capitolo 5
IMPIANTI DI RISCALDAMENTO: CRITERI DI PROGETTO
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
Introduzione...................................................................................pag.
Elementi terminali..........................................................................pag.
5.2.1 Radiatori ...........................................................................pag.
5.2.2 Ventilconvettori ed areotermi ...........................................pag.
5.2.3 Pannelli radianti................................................................pag.
5.2.4 Dimensionamento ............................................................pag.
Rete di distribuzione......................................................................pag.
5.3.1 Tubazioni e collettori: tipologie e dimensionamento ........pag.
5.3.2 Vaso di espansione: tipologie e dimensionamento..........pag.
5.3.3 Pompe di circolazione: tipologie e dimensionamento ......pag.
Elenco dei simboli .........................................................................pag.
Bibliografia.....................................................................................pag.
129
130
131
132
134
137
142
142
148
149
153
154
Capitolo 6
NORMATIVA E VERIFICHE PER GLI IMPIANTI DI RISCALDAMENTO
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
Introduzione...................................................................................pag.
Legge 10/91 ..................................................................................pag.
D.P.R. 26 agosto 1993 n. 412.......................................................pag.
D. Lgs. 19 agosto 2005 n. 192 ......................................................pag.
6.4.1 Generalità.........................................................................pag.
6.4.2 Verifiche imposte dal D. Lgs. 19 agosto 2005 n. 192 ......pag.
6.4.3 Metodi di calcolo prescritti................................................pag.
D. Lgs. 29 dicembre 2006 n. 311 ..................................................pag.
Elenco dei simboli .........................................................................pag.
Bibliografia.....................................................................................pag.
155
156
159
166
166
168
170
173
175
176
III
Impianti di climatizzazione e condizionamento
Capitolo 7
IMPIANTI DI CONDIZIONAMENTO: CRITERI DI PROGETTO
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
Componenti di un impianto di condizionamento a tutt’aria ...........pag.
Componenti di un impianto di condizionamento misto..................pag.
Trattamenti dell’aria.......................................................................pag.
7.3.1 Impianti a tutt’aria .............................................................pag.
7.3.2 Impianti misti aria-acqua ..................................................pag.
Calcolo della portata d’aria di progetto..........................................pag.
7.4.1 Impianti a tutt’aria .............................................................pag.
7.4.2 Impianti misti aria-acqua ..................................................pag.
Terminali di immissione dell’aria ...................................................pag.
7.5.1 Generalità.........................................................................pag.
7.5.2 Terminali per la distribuzione a flusso turbolento.............pag.
7.5.3 Terminali per la distribuzione a dislocamento..................pag.
7.5.4 Sistemi a flusso laminare .................................................pag.
7.5.5 Altri tipi di terminali ...........................................................pag.
7.5.6 Applicazioni ......................................................................pag.
7.5.7 Griglie ed elementi di ripresa ...........................................pag.
7.5.8 Dimensionamento dei terminali di immissione dell’aria ...pag.
7.5.8.1 .Bocchette di mandata ......................................... pag.
7.5.8.2 .Griglie di ripresa o transito .................................. pag.
Rete di distribuzione dell’aria ........................................................pag.
7.6.1 Classificazione dei canali di distribuzione dell’aria ..........pag.
7.6.2 Caratteristiche costruttive dei canali ................................pag.
7.6.3 Dimensionamento della rete ............................................pag.
7.6.3.1 .Metodo a perdita di carico costante .................... pag.
7.6.3.2 .Metodo a riduzione di velocità............................. pag.
7.6.3.3 .Metodo a recupero di pressione statica .............. pag.
7.6.4 Calcolo delle perdite di carico totali del circuito ...............pag.
Elementi terminali e rete di distribuzione ......................................pag.
Elenco dei simboli .........................................................................pag.
Bibliografia.....................................................................................pag.
177
177
178
178
182
184
184
186
186
186
187
191
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192
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194
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198
199
201
202
203
205
205
205
208
209
210
Capitolo 8
CENTRALI TECNOLOGICHE
8.1
8.2
IV
Generalità......................................................................................pag. 211
Unità di trattamento dell’aria .........................................................pag. 211
8.2.1 Dimensionamento degli elementi principali......................pag. 213
Indice dei contenuti
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
Generatori di calore: tipologie e caratteristiche costruttive ...........pag.
Generatori di calore: dimensionamento ........................................pag.
Macchine frigorifere: tipologie e caratteristiche costruttive ...........pag.
Macchine frigorifere: dimensionamento ........................................pag.
Cenni sulla regolazione degli impianti ..........................................pag.
8.7.1 Generalità.........................................................................pag.
8.7.2 Impianti a tutt’aria a portata costante ...............................pag.
8.7.3 Impianti a tutt’aria a portata variabile ...............................pag.
8.7.4 Impianti misti (a ventilconvettori)......................................pag.
Elenco dei simboli .........................................................................pag.
Bibliografia.....................................................................................pag.
216
220
223
226
227
227
228
229
229
230
231
Appendice A
RILIEVO DEI PARAMETRI TERMOIGROMETRICI
AMBIENTALI ..........................................................................................pag. 233
Appendice B
RICHIAMI DI PSICROMETRIA...............................................................pag. 251
V
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).
1
Impianti di climatizzazione e condizionamento
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).
2
Capitolo 1 – Benessere Termoigrometrico
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:
M = ± S ± L ± C ± K ± R ± W − E (W/m2)
in cui:
M =
S =
L =
C =
K =
R =
W =
E =
(1.1)
potenza termica prodotta dal metabolismo (W/m2);
potenza termica accumulata o ceduta dal corpo (W/m2);
lavoro meccanico scambiato dal corpo con l'esterno (W/m2);
potenza termica scambiata per convezione (W/m2);
potenza termica scambiata per conduzione (W/m2);
potenza termica scambiata per irraggiamento (W/m2);
potenza termica scambiata attraverso la respirazione (W/m2);
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:
A sk = 0.202m 0.425 h0.725 (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.
3
Impianti di climatizzazione e condizionamento
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
Pantaloni aderenti, camicia a maniche corte
Pantaloni aderenti, camicia a maniche lunghe
Pantaloni aderenti, camicia a maniche lunghe, giacca
Pantaloni lenti, camicia a maniche lunghe, maglione, maglietta
intima
Pantaloni lenti, camicia a maniche lunghe, maglione, giacca,
biancheria intima pesante
Gonna, camicia a maniche corte, collant, sandali
Gonna, camicia a maniche lunghe, sottoveste, collant
Gonna lunga, camicia a maniche lunghe, giacca,collant
Tuta a maniche lunghe, maglietta
fcl
Icl (clo)
1.15
1.20
1.23
0.57
0.61
0.96
1.28
1.01
1.33
1.30
1.26
1.29
1.46
1.23
0.54
0.67
1.10
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.
4
Capitolo 1 – Benessere Termoigrometrico
Tab. 1.2: Valori del metabolismo per diverse attività [1].
Attività soggetto
met
coricato
seduto
in piedi
camminare lentamente
camminare velocemente
guidare un’automobile
guidare una moto
guidare un camion
guidare un aereo
pulire casa
cucinare
fare shopping
0.7
1.0
1.2
2.0
2.6
1.5
2.0
3.2
2.0
2.5
1.8
1.6
Attività soggetto
met
1.5 ÷ 2.0
4.0 ÷ 6.0
3.5 ÷ 4.5
2.0 ÷ 2.5
2.0 ÷ 2.5
1.0 ÷ 1.2
3.6 ÷ 4.0
5.0 ÷ 7.0
5.0 ÷ 7.6
2.4 ÷ 4.4
1.5 ÷ 2.5
1.2 ÷ 2.0
fornaio
operaio edile
operaio meccanico
operaio elettrico
commesso di negozio
orologiaio
tennis
squash
pallacanestro
ballo
golf
pesca
Tab. 1.3: Consumo di ossigeno per diversi livelli di attività [1].
Attività
Ossigeno consumato (l/min)
leggera
media
pesante
molto pesante
estremamente pesante
< 0.5
0.5 ÷ 1
1 ÷ 1.5
1.5 ÷ 2
>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:
S sk =
α sk mc p,b dTsk
⋅
(W/m2)
A sk
dτ
(1.5)
5
Impianti di climatizzazione e condizionamento
S cr =
dove:
αsk
m
cp,b
Ask
Tcr
Tsk
τ
(1− α sk )mc p,b dTcr
⋅
(W/m2)
A sk
dτ
(1.6)
= frazione della massa del corpo concentrata nel compartimento pelle;
= massa del corpo (kg);
= calore specifico del corpo (kJ/kg°C);
= superficie di Du Bois (m2);
= temperatura del compartimento interno (°C);
= temperatura del compartimento pelle (°C);
= 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
Spalare con busto piegato
Spalare con busto eretto
Avvitare con cacciavite
Sollevare pesi
6
Rendimento (%)
3
6
5
9
Attività
Camminare in salita
Salire le scale
Spingere un carrello
Pedalare in bicicletta
Rendimento (%)
15
20
24
25
Capitolo 1 – Benessere Termoigrometrico
Tab. 1.5: Equazioni per il calcolo del coefficiente di convezione [1].
Equazione
0.6
hc = 8.3v
hc = 3.12
0.87
hc = 2.7 + 8.7v
hc = 5.1
hc = 8.6v
0.53
0.39
hc = 5.7(M-0.8)
hc= 6.5v
0.39
hc = 14.8v
hc = 4.0
0.69
Campo di validità
0.2 < v < 4.0
0.0 < v < 0.2
0.15 < v < 1.5
0.0 < v < 0.15
0.5 < v < 2.0
v = velocità del soggetto
1.1 < M < 3.0
0.5 < v < 2.0
v = velocità del soggetto
0.15 < v < 1.5
0.0 < v < 0.15
2
hc in W/m K; v in m/s; M in met.
Autori
Mitchell
Colin - Houdas
Nishi - Gagge
Gagge et Al.
Nishi - Gagge
Seppenam et Al.
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:
7
Impianti di climatizzazione e condizionamento
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
8
Capitolo 1 – Benessere Termoigrometrico
−
−
−
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;
9
Impianti di climatizzazione e condizionamento
Fig. 1.1: Diagramma ASHRAE del benessere [1].
−
−
−
10
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
Capitolo 1 – Benessere Termoigrometrico
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
+2
+1
0
-1
-2
-3
−
molto caldo
caldo
leggermente caldo
neutralità termica
leggermente freddo
freddo
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].
11
Impianti di climatizzazione e condizionamento
−
−
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
12
Capitolo 1 – Benessere Termoigrometrico
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
Temperatura interna (°C)
Umidità relativa minima (%)
Umidità relativa massima (%)
Inverno
Estate
≤ 20
35
45
≥ 26
50
60
13
Impianti di climatizzazione e condizionamento
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.
14