Comfort termico: principi

Il comfort igrometrico rappresenta la condizione mentale di soddisfazione relativa all’ambiente termico. La sensazione di benessere è diversa da individuo a individuo e dipende dall’età, dal sesso, dallo stato fisico e psichico, dal metabolismo, dal periodo della giornata, dagli usi e abitudini, dalla propria sensibilità, ecc. In questo articolo esaminerò i principi che stanno alla base di questo concetto, a partire da come il corpo umano percepisce la condizione di comfort termico e come viene calcolata attraverso l’uso di indici.

Come il corpo umano percepisce tale condizione di comfort termico?

La temperatura interna del corpo umano è normalmente pari a 37 ºC. Quando la temperatura cutanea supera i 37 ºC i sensori del caldo, collocati nell’ipotalamo, attivano dei meccanismi per diminuire la temperatura (aumento del flusso sanguigno alla periferia e sudorazione). Nel caso invece la temperatura cutanea scenda sotto i 34 ºC, i sensori del freddo, collocati sulla cute, innescano dei meccanismi per aumentare la temperatura (riduzione del flusso sanguigno e brividi). Se gli impulsi trasmessi dai due sensori sono della stessa ampiezza si prova la sensazione di neutralità termica, altrimenti si ha la sensazione di caldo o di freddo, che possiamo anche definire di "discomfort".

Bilancio energetico del corpo umano

Il corpo umano svolge la funzione di convertire l’energia chimica degli alimenti in altre forme energetiche. L’insieme di queste trasformazioni di tipo ossidativo, cioè esoenergetiche (liberano energia), è il metabolismo. Come per qualsiasi sistema termico, la temperatura del corpo umano è il risultato di bilanci di energia e di massa: il mantenimento della temperatura interna, in condizioni stazionarie, richiede che la potenza termica prodotta internamente dal metabolismo sia pari alla somma della potenza dissipata all’esterno attraverso i diversi meccanismi di scambio termico (conduzione, convezione e irraggiamento) e di massa (sudorazione, traspirazione, umidificazione dell’aria nei polmoni) e del lavoro muscolare sviluppato. L’organismo umano deve poter mantenere costante a 37ºC la propria temperatura interna, con una tolleranza inferiore a 1’C.

Tasso metabolico e met

Il Tasso metabolico M è la potenza termica generata dalle reazioni metaboliche riferita all’unità di superficie del corpo ed è connesso al livello di attività fisica svolta dall’individuo. Il tasso metabolico M è espresso in unità SI con W/m² oppure utilizzando l’unità tecnica di misura met (1 met = 58 W/m²). Ad esempio una persona seduta, nelle condizioni di benessere ambientale, ha una dispersione termica data dal prodotto della superficie corporea (1.7 - 1.8 m²) per 1 met, ovvero circa 100 W. Il valore della potenza metabolica aumenta all’aumentare dell’attività fisica praticata.

Indici di Comfort Termico (PMV e PPD)

Gli indici PMV e PPD servono per predire la sensazione termica soggettiva dell’ambiente da parte di un gruppo di persone che vi soggiorna. L’indice di sensazione termica PMV (Predicted Mean Vote o Voto Medio Previsto) è un indice di valutazione dello stato di benessere di un individuo espresso utilizzando una scala psicofisica a sette valori, dove lo ZERO rappresenta lo stato di benessere termico ed i valori estremi l’indice di sensazione di troppo freddo (-3) o troppo caldo (+3). Nella figura a seguire la rappresentazione grafica del PMV:

Un altro indice per misurare il comfort termico è il PPD (Percentage of Person Dissatisfied), che esprime la percentuale di persone insoddisfatte che si trovano in un determinato ambiente, in relazione al voto di sensazione termica (PMV) il cui modulo sia pari o superiore a 2 (caldo, molto caldo, freddo, molto freddo).

La figura di cui sopra rappresenta graficamente la relazione ricavata sperimentalmente tra gli indici PMV e PPD. A PMV=0 corrisponde un PPD=5% e ciò in quanto le ricerche sperimentali hanno dimostrato che è impossibile realizzare una unica condizione ambientale in grado di soddisfare tutte le persone che vi soggiornano.

La norma UNI EN ISO 7730 raccomanda che il valore di PMV in un ambiente sia compreso nell’intervallo -0.5 ≤PMV≥ +0.5 con un PPD ≤ 10%. La norma UNI 10339 prevede invece un intervallo di accettabilità più ampio, ovvero -0.8 ≤PMV≥ +0.8 con un PPD ≤ 20%

Equazione del comfort di Fanger

Gli indici di comfort secondo il modello di Fanger sono il PMV e il PPD. Evitando di entrare nei dettagli, in questa equazione i valori di PMV e PPD dipendono da 3 parametri personali - M (tasso metabolico), W (lavoro meccanico) e I_CL (resistenza termica abbigliamento) - e da 4 parametri ambientali - t_A (temperatura dell’aria), t_MR (temperatura media radiante), v_A (velocità dell’aria) e p_V (umidità dell’aria).

I parametri ambientali sono le variabili su cui agire per ottenere il desiderato grado di comfort. La normativa fornisce dei valori tipici a seconda della stagione, del tipo di attività fisica e del grado di resistenza dell’abbigliamento. A questo proposito è importante evidenziare che livelli di vestiario cospicui riducono il calore perso attraverso la pelle e abbassano la percezione di comfort percepito della temperatura dell’ambiente.

Parametri ambientali e loro correlazione

Analizziamo più nel dettaglio i 4 parametri ambientali:

• temperatura dell’aria (t_A): viene influenzata tramite riscaldamento e raffreddamento passivo e meccanico;
• temperatura media radiante (t_MR): temperatura media ponderata di tutte le superfici esposte in una stanza. La temperatura media radiante varia fortemente con la posizione. In combinazione con la temperatura dell’aria permette di definire la temperatura operativa ovvero la temperatura uniforme dell’aria e delle pareti di un ipotetico ambiente, in cui il corpo umano scambierebbe la stessa potenza termica per radiazione e convenzione che scambia nell’ambiente reale. A seguire la formula per il calcolo della temperatura operativa:
  
• velocità dell’aria (v_A): quantifica la velocità e la direzione dei movimenti d’aria nella stanza. Correnti d’aria, che possono causare repentine fluttuazioni nella velocità dell’aria possono essere causa di situazioni di discomfort termico localizzato, con una sensazione di eccessiva dispersione termica. Il movimento dell’aria produce effetti termici anche senza variazione della temperatura dell’aria e può favorire la dissipazione del calore, attraverso la superficie dell’epidermide.
• umidità dell’aria (p_V): livelli troppo alti o troppo bassi di umidità nell’aria possono causare situazioni di disagio. A basse temperature l’aria molto secca accresce la sensazione di freddo, mentre per temperature dell’aria superiori a 32 ºC con valori di umidità relativa superiori al 70% si accentua la sensazione di caldo. A livello indicativo riporto una tabella con i valori consigliati per temperatura, umidità relativa e velocità dell’aria a seconda della stagione:
  

In un prossimo articolo parleremo di pannelli radianti, applicando i concetti sopra visti, una soluzione impiantistica ad alta efficienza energetica, che hanno consumi di energia minori se paragonati, a parità di energia scambiata, con impianti tradizionali.

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