RRisparmio energetico degli edificiisparmio energetico degli edificiComfort termoigrometricoComfort termoigrometrico

Prof. arch. Fabio Sciurpi

Dipartimento di Tecnologia dell’Architettura e Design Pierluigi Spadolini Università degli Studi di Firenze

Uso consapevole delle risorse (Aria, Acqua,

Suolo, Energia, Materiali)

Benessere ambientale dell’individuo nello

spazio confinato

Riduzione dell’inquinamento ambientalee dell’impatto sul clima e Riduzione dei

consumi energetici

progettazione degli progettazione degli edificiedifici

benessere termoigrometricobenessere acusticobenessere visivobenessere respiratorio olfattivo e (IAQ)

La QualitLa Qualitàà energetica degli edificienergetica degli edifici

Benessere ambientale dellBenessere ambientale dell’’individuoindividuoRappresenta la soddisfazione dell'utente nei confronti dell’ambiente indoor in cui si trova; è determinato da condizioni fisiologiche e psicologiche che sono funzione dei valori assunti da un insieme di grandezze fisiche (luce, temp., ecc.) relative all’ambiente. Ècondizionato da fattori ambientali esterni (clima, sito), fattori ambientali interni (tipo di edificio e gestione), fattori individuali soggettivi.

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.; nella progettazione ci si riferisce ad una fascia rappresentativa (individuo medio sano nel corpo e nella mente).

La qualitqualitàà ambientaleambientale in una edificio fa riferimento a classi differenti, seppure fortemente interrelate, di comfort ambientale, e cioè:

benessere termoigrometricobenessere respiratorio olfattivobenessere illuminotecnicobenessere acustico

Benessere termoigrometricoBenessere termoigrometricoStato di neutralità termica, in cui il soggetto non sente né caldo né freddo.

Benessere respiratorio Benessere respiratorio –– olfattivo (Qualitolfattivo (Qualitàà dell'Aria Interna)dell'Aria Interna)Stato di soddisfazione degli occupanti l’ambiente confinato nei confronti dell'aria che respirano, in cui non sono presenti inquinanti in concentrazioni ritenute nocive per la salute dell’uomo (ASHRAE 62/1999).

Benessere illuminotecnicoBenessere illuminotecnicoPuò essere definito attraverso le condizioni che permettono all’occhio di svolgere nel modo migliore i diversi compiti (attività) che è chiamato ad assolvere (la visione generica, il rilievo dei contrasti di luminosità e di colore, la capacità di distinguere oggetti piccoli e lontani, la capacità di osservare oggetti in movimento e di consentire percezioni in tempi brevi).

Benessere acusticoBenessere acusticoCondizione psicofisica in corrispondenza della quale un individuo, in presenza di un campo di pressione sonora (rumore), dichiara di trovarsi un una situazione di benessere, tenuto conto anche della particolare attivitàche sta svolgendo.

Alla base delle condizioni di benessere termico di un individuo sta la necessità di OMEOTERMIAOMEOTERMIA dell’organismo umano, cioè la necessità di mantenere costante la temperatura del nucleo del corpo a circa 37°C entro il ristretto margine di mezzo grado.

Il corpo umano è costituito da due zone caratterizzate da temperature diverse: - una esterna, la pelle, caratterizzata da una temperatura che può ammettere oscillazioni più ampie entro valori limite (soglie deldolore comprese tra 5-45°C);- una interna, che comprende gli organi vitali, caratterizzata da una temperatura pressoché costante e pari a 37°C in soggetti sani, con un margine di variazione di mezzo grado.

Per mantenere costante la temperatura del nucleo del corpo, l’organismo è dotato di un sistema di termoregolazione che provvede a mantenere il valore previsto anche quando per le condizioni ambientali o per l’attività svolta vi sia tendenza adallontanarsene.

L’omeotermiaL’omeotermia del corpo umanodel corpo umano

I recettori termici (terminazioni nervose) inviano segnali di temperatura all’ipotalamo (regione del cervello responsabile della termoregolazione) che li confronta con i valori di riferimento per dare luogo ai relativi segnali di errore

I segnali di errore determinano l’attivazione dei meccanismi di termoregolazione in grado di mantenere l’omeotermia del corpo.

Funzionamento del sistema di controlloFunzionamento del sistema di controllo

Esistono due tipi di termoregolazione:

vasomotoria e comportamentaleVASOMOTORIA

in ambienti freddi

vasocostrizione (capillari) con diminuzione dell’afflusso di sangue verso la periferia ed abbassamento della temperatura superficiale

in ambienti caldi

vasodilatazione con aumento dell’afflusso di sangue alla periferia

COMPORTAMENTALE

in ambienti freddi

- brivido (attivazione di gruppi muscolari)- posizioni corporee raccolte

in ambienti caldi

- sudorazione (ghiandole sudoripare sotto pelle)- riduzione attività fisica

Meccanismi di termoregolazioneMeccanismi di termoregolazione

Le variabili principali che influenzano il benessere termico sono:• la temperatura di bulbo secco dell’aria • la temperatura media radiante• l’umidità relativa dell’aria• la velocità media dell’aria

•l’attività fisica svolta• la resistenza termica del vestiario indossato

IL BENESSERE TERMICOIL BENESSERE TERMICO

attività del soggetto

t operativa

E’ una condizione psicofisica dell’utente che si trova in un ambiente nel quale si annullano le sensazioni di caldo o freddo percepite senza interventi massicci del sistema di termoregolazione del corpo.

Temperatura di bulbo secco dell’ariaTemperatura di bulbo secco dell’ariaLa temperatura di bulbo secco (tBS) è misurata per mezzo di un termometro a bulbo secco, in genere al centro del locale ed espressa in °C.

UR (%)

TBU TBS

Temperatura media radianteTemperatura media radianteLa temperatura media radiante (tMR) è definita come la temperatura uniforme ideale di una cavità nera in cui un soggetto scambierebbe la stessa quantità di calore per irraggiamento che scambia nell’ambiente reale in cui si trova;tale temperatura è rilevata comunemente con un globotermometro ed espressa in °C.

IL CALCOLO DI IL CALCOLO DI tt mrmrNel caso che le differenze di temperatura tra le superfici risultino contenute entro i 10°C ed essendo le emissività ε delle superfici prossime all’unità, si ha :

ttmr mr = [= [tt11·· FF P1P1 + + tt22·· FF P2 P2 + + tt33·· FF P3 P3 ……………… + + ttnn·· FF PnPn]]

FFPnPn èè il fattore di vista della persona rispetto alla il fattore di vista della persona rispetto alla superficie ennesima: superficie ennesima: tanto maggiore tanto maggiore èè il fattore di il fattore di vista tanto maggiore vista tanto maggiore èè il il pesopeso della temperatura della della temperatura della superficie vista dalla personasuperficie vista dalla persona

Proprietà di suddivisione

Fp-1,2,3,4 = Fp-1 + Fp-2 + Fp-3 + Fp-4

La determinazione dei La determinazione dei fattori di vista personafattori di vista persona--

superficisuperfici

Il fattore di vista aumenta Il fattore di vista aumenta all’aumentare del rapporto all’aumentare del rapporto b/c b/c ee a/ca/c::

Considerando Considerando aa e e bb eguali per eguali per pavimento e soffitto, il pavimento e soffitto, il fattore di fattore di vista è maggiore per il pavimento vista è maggiore per il pavimento rispetto al soffittorispetto al soffitto. L’incremento è . L’incremento è ancor maggiore per persona seduta.ancor maggiore per persona seduta.

I fattori di vista persona superfici I fattori di vista persona superfici orizzontaliorizzontali

Considerando Considerando aa e e cc eguali, eguali, il fattore il fattore di vista è maggiore per la zona di vista è maggiore per la zona superioresuperiore di solito occupata dalle di solito occupata dalle finestre. L’incremento è ancor finestre. L’incremento è ancor maggiore per persona seduta.maggiore per persona seduta.

I fattori di vista persona superfici I fattori di vista persona superfici verticaliverticali

A parità di rapporti geometrici A parità di rapporti geometrici il il pesopeso delle superfici delle superfici verticali è maggiore di quelle orizzontaliverticali è maggiore di quelle orizzontali

Superfici verticali

Superfici orizzontali

Temperatura media radianteTemperatura media radianteLa temperatura media radiante (tMR) è definita come la temperatura uniforme ideale di una cavità nera in cui un soggetto scambierebbe la stessa quantità di calore per irraggiamento che scambia nell’ambiente reale in cui si trova;tale temperatura è rilevata comunemente con un globotermometro ed espressa in °C.

La temperatura operativa (to) è definita come la temperatura uniforme dell’aria e delle pareti di un ipotetico ambiente, con il quale il corpo umano scambia la medesima potenza termica per radiazione e convezione scambiata con l’ambiente reale; to = (hr tMR + hc tBS)/( hr + hc) per differenze non elevate tra tMRe tBS, può essere determinata mediante la seguente relazione : to = (tBS + tMR)/2

Temperatura operativaTemperatura operativa

Alcune considerazioniAlcune considerazioniA parità di temperatura operativa to = (tBS + tmr)/2 una temperatura media radiante più elevata consente di mantenere la temperatura dell’aria più bassa, con conseguente risparmio energetico.Una temperatura media radiante più elevata è ottenibile con:

superfici radianti estese aventi temperature superiori allsuperfici radianti estese aventi temperature superiori all’’aria;aria;

a parita paritàà di temperatura superficialedi temperatura superficiale la temperatura media radiante è pipiùù elevata per le superfici che la personaelevata per le superfici che la persona vedevede megliomeglioovvero con un più alto fattore angolare;

entrambe le situazioni suddette sono ottenibili facilmente con sono ottenibili facilmente con pannelli radianti;pannelli radianti;

a parità di rapporti geometrici, i pannelli radianti aventi migliori , i pannelli radianti aventi migliori fattori di vista sono nellfattori di vista sono nell’’ordine quelli posti a parete e a pavimento.ordine quelli posti a parete e a pavimento.

Umidità relativaUmidità relativaL’umidità relativa UR o grado igrometrico ϕ , deve essere generalmente compresa tra il 40÷60% con tolleranza max. ± 10 %; infatti per valori inferiori al 30% si seccano le mucose mentre per valori superiori al 70% possono verificarsi con maggiore probabilità fenomeni di condensazione su zone fredde con sviluppi di muffe, danneggiamenti degli intonaci e possibili sviluppi di allergie per gli occupanti.

Velocità relativa dell’aria vr (m/s) nei confronti del soggetto

Velocità dell’ariaVelocità dell’aria

Esempi di sonde per la misura del comfort termoigrometrico e degli indici di comfort

Tmr - UR To

Tr va

La temperatura media radiante si misura con un sensore di temperatura a globo. La sonda di temperatura è inserita al centro di un’ampia superficie nera, in modo da risultare sensibile al campo radiante.Tale sensore è fondamentale nelle regolazioni dei sistemi di riscaldamento di tipo radiante

Pertanto nella maggior parte dei casi in ambito residenziale e terziario L èquasi sempre nullo o trascurabile.

Il metabolismo M esprime l’energia prodotta dall’organismo umano nell’unità di tempo che è convertita parzialmente in lavoro meccanico Lscambiato con l’esterno e principalmente in calore corporeo Q:

M = L + Q met(1 met = 58 W/m² metabolismo di un individuo sveglio in condizioni di riposo)

il corpo umano è una macchina termica, il cui rendimento εb nel produrre lavoro L è:

εb = L /M

εb varia generalmente da 0 a circa 0.2 (ad esempio quando si sale le scale)

Attività fisica svolta Attività fisica svolta –– il metabolismoil metabolismoIl corpo umano è sede di reazioni chimiche che trasformano in energia le sostanze nutritive assimilate. L’energia termica prodotta internamente al corpo umano da tali reazioni dà luogo al flusso metabolico, che viene espresso con un’unità di misura apposita, il met.

Tabella dei valori metaboliciTabella dei valori metabolici

1 met è il flusso metabolico di base, qualunque attività porta a valori più alti che l’organismo deve smaltire per garantire l’omeotermia.

Specifico significa che si riferisce all’unità di area superficiale del corpo nudo, valutabile con la relazione di DuBois:

hmADu725,0425,0202,0=

La superficie del corpo umanoLa superficie del corpo umano

uomo “standard”mb = 70 kghb = 1,70 m

Aeff = 1,80 m2

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

Resistenza termica del vestiarioResistenza termica del vestiario IIclclLa resistenza termica degli indumenti è indicata con Icl L’ unità di misura è il CLO (1CLO = 0,155 m²K/W);

Per esperienza diretta sappiamo che tale parametro è estremamente importante ai fini del benessere.

Tuttavia è difficile definire in modo rigoroso l’abbigliamento delle persone. Per questo i valori in questione si trovano tabulati per numerose combinazioni di vestiario e per capi singoli.

L’unità corrisponde alla resistenza termica di un abito europeo di mezza stagione.

RESISTENZA TERMICA DI ALCUNE COMBINAZIONI TIPICHE DI RESISTENZA TERMICA DI ALCUNE COMBINAZIONI TIPICHE DI CAPI DI ABBIGLIAMENTOCAPI DI ABBIGLIAMENTO

RESISTENZA TERMICA DI ALCUNE COMBINAZIONI TIPICHE DI RESISTENZA TERMICA DI ALCUNE COMBINAZIONI TIPICHE DI CAPI DI ABBIGLIAMENTOCAPI DI ABBIGLIAMENTO

il bilancio termico del corpo umanoil bilancio termico del corpo umano

Il corpo umano è un sistema termodinamico che scambia calore e lavoro con l’ambiente esterno.Si ricorda che:Il lavorolavoro è positivo quando è compiuto dal sistema termodinamico sull’ambiente circostante

Il calorecalore è negativo quando è in uscita dal sistema termodinamico

Sistema termodinamico

L+

Q-

S [W] = variazione di energia interna del corpo umano nell’unità di tempo (potenza acquistata o ceduta)

M [W] = metabolismo energeticoL [W] = potenza meccanica scambiata tra il corpo e l’ambientef (attività svolta)

Esk [W] = potenza termica dispersa per evaporazione attraverso la pellef (grado igrometrico dell’aria, temperatura dell’aria, temperatura della pelle, velocità relativa soggetto aria, abbigliamento, percentuale di pelle bagnata dal sudore)

Rres [W] = potenza termica dispersa nella respirazione (saturazione dell’aria), costituita da una quota di calore latente e una quota di calore sensibilef (attività svolta, grado igrometrico dell’aria, temperatura dell’aria)

C [W] = potenza termica scambiata per convezionef (temperatura della superficie esterna del corpo vestito, temperatura dell’aria, velocità relativa soggetto-aria, abbigliamento)

R [W] = potenza termica scambiata per irraggiamentof (temperatura della superficie esterna del corpo vestito, temperatura media radiante, posizione della persona, abbigliamento)Ck [W] = potenza termica scambiata per conduzione

S = M - L - Esk - Rres - C - R - Ck

il bilancio termico del corpo umanoil bilancio termico del corpo umano

Le condizioni del benessereLe condizioni del benessere

quando S > 0 la temperatura del corpo tende ad quando S > 0 la temperatura del corpo tende ad

aumentareaumentare

quando S < 0 la temperatura del corpo tende a

decrescere

quando S = 0quando S = 0 siamo in presenza di equilibrio termico

e quindi di potenzialepotenziale benesserebenessere, condizione

necessaria ma non sufficiente a causa dei meccanismi

di autoregolazione della temperatura corporea.

INDICE GLOBALE DI BENESSERE TERMICO PMV(La teoria del Prof.Fanger- UNI-EN-ISO 7730/1996B)

La prima condizione affinché un individuo si trovi in condizioni di benessere è che :

1) S = 0 funzione di otto variabili

f (M, Icl, tBS , vr , tmr , pv, tsk, Esw )Fanger, mediante lo studio su circa 1300 individui, ha individuato altre due condizioni sufficienti a definire condizioni di benessere espresse dalle seguenti equazioni :

2) Esw = 0.42 [M - 58.15] (W/m²) potenza dispersa per sudorazione

3) tsk = 35.7 - 0.028 M (°C) temperatura della pelle

In pratica le possibili condizioni di benessere sono le combinazioni delle otto variabili che soddisfano contemporaneamente le tre suddette equazioni.

INDICE GLOBALE DI BENESSERE TERMICO PMVINDICE GLOBALE DI BENESSERE TERMICO PMV(UNI(UNI--ENEN--ISO 7730/1996B)ISO 7730/1996B)

La sensazione termica è espressa con un voto numerico in una scala di 7 valori

il PMV riportato nella scala psico-fisica suddetta esprime pertanto la sensazione termica che verrà avvertita in quel dato ambiente da un “individuo dotato di media sensibilità” .

Il limite di accettabilitIl limite di accettabilitàà èè compreso tra compreso tra –– 0,5 < PMV < 0,50,5 < PMV < 0,5

L’indice PMVPMV (Predicted MeanVote) è una funzione matematica dei parametri descritti che esprime il valore medio dei voti di un campione significativo di persone su una scala di sensazioni termiche a 7 punti che varia da –3 a +3

Quanto esposto consente di attribuire un voto a qualsiasi condizione ambientale. Si tratta ora di stabilire quale votazione sia considerata sufficiente.A questo fine viene introdotta un’ultima grandezza: la percentuale prevista di insoddisfatti (PPDPPD - Predicted Percentage of Dissatisfied).Viene definito convenzionalmente insoddisfatto un soggetto che dia una votazione all’ambiente maggiore o uguale a +2 o minore o eguale a -2, corrispondenti rispettivamente alle sensazioni di caldo e di freddo.

Il responso è di carattere statistico, per cui anche in condizioni di neutralità si ha mediamente una certa percentuale di insoddisfatti o verso il caldo (2,5%) o verso il freddo (2,5%). Questo significa che nelle migliori condizioni il 5% dei soggetti risulta insoddisfatto. Questa percentuale aumenta quando ci si allontani da condizioni di neutralità.

PPD e PMVPPD e PMVPPD

PMV

MassimoMassimo

Le normative stabiliscono i limiti di accettabilità sulla base di questi andamenti. Ad esempio Fanger indica un PPD max dello 7,5% che suggerisce un PMV fra +/-0,35. La ISO 7730 prescrive un PMV fra +/-0,5 che significa un PPD max del 10%. L’ASHRAE 55 accetta un 20% per il PPD cioè un PMV fra +/-0,85.

CAMPO DI VALIDITÀ DI PMVL’indice PMV è stato elaborato per situazioni stazionarie ed ambienti termicamente moderati (quindi con valori compresi tra –2 e + 2); puòessere utilizzato anche per condizioni che comportano variazioni nel tempo dei parametri purchè abbastanza contenute e si usino valori medi; la metodologia esposta è valida nel seguente campo di valori :

M = 0.8 - 4 met

Icl = 0.0 - 2 clo

tbs = 10 - 30 °C

tmr = 10 - 40 °C

vr = 0.0 - 1 m/s

pv = 0.0 - 2700 Pa

I valori di I valori di PMV PMV si trovano peraltro tabulati per le situazioni pisi trovano peraltro tabulati per le situazioni piùù comuni comuni ..

CONDIZIONI DI BENESSERE INVERNALI

CONDIZIONI DI BENESSERE ESTIVE

Condizioni di benessere invernali PPD 20% per t0 = tBS M < 1,2 met e vr < 0,15 m/s Icl = 0,9 clo

Condizioni di benessere estive PPD 20%per t0 = tBS M < 1,2 met e vr < 0,15 m/s Icl = 0,5 clo

COMFORT TERMICO: NORMATIVA DI RIFERIMENTO

Discomfort termico locale Discomfort termico locale Discomfort termico locale

b)Correnti d’ariaa)Asimmetria della temperatura piana radiante in verticale ed in orizzontale

a) presenza di ampie superfici particolarmente fredde o calde ( ad es. pareti vetrate o soffitti radianti, pavimenti non isolati su porticati ) che possono causare scambi termici radiativi anomali tra alcune parti del corpo umano e le superfici suddette

b) presenza di correnti d’aria fredda (spifferi) che su alcune zone del corpo, ad esempio la nuca, possono risultare particolarmente fastidiose

Discomfort termico locale Discomfort termico locale Discomfort termico locale a)Temperatura superficiale del pavimento

b)Gradiente verticale di temperatura dell’aria

19°C÷29°C ≤ 3°C

a) Temperatura superficiale del pavimento

b) gradienti di temperatura all’interno dello stesso locale

BENESSERE TERMOIGROMETRICOBENESSERE TERMOIGROMETRICO-- discomfort discomfort --

Nella UNI EN ISO 7730 e nello Standard ASHARAE 55 sono anche riportati alcuni indici di disagio locale particolarmente interessanti, quali: temperatura operativa, gradiente verticale di temperatura, asimmetria della temperatura piana radiante, temperatura del pavimento e velocità dell’aria

Relazione tra l’asimmetria della temperatura radiante Δtpr e PPI per diverse superfici calde e fredde

6 12 > 26

MassimoMassimo

17

Relazione tra la temperatura del pavimento e PPI

18 28

MassimoMassimo

Relazione tra la differenza temperatura testa-caviglie e PPI

3,5

MassimMassimoo

Condizioni limite della differenza di temperatura Condizioni limite della differenza di temperatura soffittosoffitto--aria in funzione dell’altezza H del localearia in funzione dell’altezza H del locale