Inerzia termica: cos’è, come funziona, parametri e materiali per edifici ad alta efficienza energetica Contenuti L’inerzia termica è uno dei...
Comfort Termico: Cos'è e Come si Valuta
Gli esseri umani realizzano quotidianamente le loro attività circondati da stimoli olfattivi, luminosi, igro-termici e acustici. Tali stimoli provocano sensazioni piacevoli o sgradevoli per il nostro organismo, determinando la nostra sensazione di comfort
Contenuti
Che cos'è il comfort termico?
Possiamo definire il comfort termico come la sensazione di benessere rispetto alla temperatura percepita nell’ambiente in cui ci troviamo. Tale sensazione dipende fondamentalmente dalla velocità con cui il nostro corpo, che si mantiene attorno ai 37 ªC grazie alle calorie che ingeriamo, cede calore all’ambiente circostante: uno scambio di calore rapido provoca così una sensazione di freddo, viceversa uno scambio lento è sinonimo di caldo. Il ritmo di perdita di calore del corpo viene detta velocità o attività metabolica.
L’attività metabolica
L’attività metabolica e lo scambio di energia tra il corpo umano e il suo intorno si può quantificare con la seguente espressione:
M = ±CV ± R + EV
Dove:
M = velocità del metabolismo
CV = scambio per convezione
R = scambio per radiazione
EV = perdite per evapotraspirazione
La convezione e la radiazione possono essere di segno distinto (positivo nel caso di perdite) e dipendono dalla superficie di scambio, dalla resistenza termica proporzionata dai vestiti e soprattutto dalla differenza di temperatura tra la pelle e l’ambiente. Per questo motivo, quando tale differenza si riduce, diminuisce anche la velocità metabolica, e se l’organismo non è in grado di dissipare sufficiente calore inizia a sudare, dando luogo all’evaporazione del sudore e cedendo il calore impiegato nel cambio di stato (calore latente).
Quantificazione e classificazione del metabolismo
Per quantificare l’attività metabolica si utilizza l’unità di misura MET, che corrisponde a una perdita di 50 kcal/h per metro quadrato di superficie corporea, ovvero all’incirca 58 W/m2 (considerando una superficie di riferimento, si può tradurre in 100 W). Il minor ritmo di trasferimento di calore si denomina metabolismo basale, e si può quantificare tra i 41 e i 44 W/m2, ovvero tra i 65 e i 79 W. Per classificare attività metaboliche diverse dalla basale si può ricorrere a tre metodi:
- Metodo secondo il grado di attività (poco affidabile)
- Metodo secondo il tipo di occupazione (affidabilità ± 85%)
- Metodo diretto (affidabilità ± 5%)
A continuazione possiamo osservare la classificazione secondo il grado di attività. Possiamo osservare come i valori facciano riferimento unicamente al tipo di lavoro e a una velocità orientativa del movimento.
Secondo il metodo per tipo di occupazione consiste invece nell’aggiungere al metabolismo basale una quantità addizionale determinata da:
- Se il lavoro si realizza senza spostamenti, dalla posizione del corpo e dalle parti del corpo utilizzate
- Se il lavoro si realizza con spostamenti, dalla velocità, dal tipo di movimento e dalle parti del corpo utilizzate
Il grado di abbigliamento
La sensazione di caldo o freddo che possiamo sentire è strettamente relazionata ai vestiti che indossiamo: un individuo con capi pesanti potrà sperimentare una sensazione di calore maggiore rispetto a uno che indossa una maglietta. La resistenza termica proporzionata si misura in clothing (clo), equivalente a 0,15 m2ºC/W. A continuazione, possiamo vedere la resistenza di diversi tipi di abbigliamento secondo la ISO 7730.
Indici di benessere igrotermico
Il benessere termico è il risultato dell’interazione di diversi fattori. Questi si potrebbero raggruppare in parametri geografici, climatici, personali e dell’ambiente in cui ci troviamo, come graficato nella tabella a continuazione.
A partire da tali parametri, per definire il comfort ci avvaliamo degli indici di benessere, che possiamo dividere in indici diretti, indiretti ed empirici.
Andiamo ad analizzare nel dettaglio i principali.
Temperatura operativa
La temperatura operativa si definisce tecnicamente come la temperatura alla quale bisogna mantenere la temperatura dell’aria e delle pareti affinché un individuo scambi con l’ambiente la stessa quantità di calore che nell’ambiente originario. Tradotto in parole più semplici, con qualche semplificazione, la temperatura operativa coincide con la temperatura equivalente e consiste nella media aritmetica tra temperatura dell’aria e temperatura media radiante superficiale.
To = (Ta + Tr) / 2
Dove:
To = temperatura operativa
Ta = temperatura dell’aria
Tr = temperatura radiante media
È dunque un parametro che ci apporta molta più informazione rispetto alla sola temperatura dell’aria: per fare un esempio estremo, possiamo sentire freddo anche in un ambiente a 25 ºC se ci troviamo circondati da superfici a 0 ºC.
Umidità relativa
L’umidità relativa è la quantità di acqua sotto forma di vapore acqueo contenuta in una massa d’aria rispetto alla quantità massima che essa è in grado di contenere. A seconda della temperatura dell’aria, infatti, la stessa umidità relativa si traduce in diverse quantità assolute di vapore acqueo: più alta con temperature elevate, più bassa con temperature fredde. In generale, si considera che umidità relative inferiori al 30% o superiori al 70% provochino sensazioni di malessere, e che, per ragioni sanitarie (al fine di evitare la proliferazione di microrganismi o una secchezza eccessiva della pelle), un valore appropriato di comfort sia compreso tra il 40 e il 60%.
Velocità dell’aria
La velocità dell’aria influisce direttamente sulla sensazione di comfort, tanto in ambienti interni come esterni. Si considerano accettabili in inverno velocità comprese tra 0 e 0,20 m/s, mentre d’estate il valore può ascendere fino a 2 m/s. A questo proposito, va menzionato il lavoro di Olgyay, nei cui diagrammi è possibile apprezzare l’ampliamento della zona di benessere in funzione della velocità dell’aria.
In ambienti esterni, una scala di riferimento utilizzata è quella di Lawson.
Voto Medio Previsto (PMV)
Il Voto Medio Previsto forma parte degli indici di benessere empirici, in quanto frutto di risultati ottenuti sperimentalmente sottoponendo un gruppo di persone a differenti stress termici. La scala di classificazione va da una sensazione di freddo (-3) a una di caldo (+3).
Il PMV si relaziona direttamente con un altro indice empirico chiamato PPI, ovvero la Percentuale di Persone Insoddisfatte. Possiamo vedere tale correlazione nel grafico a continuazione. Si può altresì osservare come in nessun caso il PPI scenda sotto la soglia del 5%: esisterà sempre una percentuale, seppur minima, di persone che provano sensazioni di freddo o caldo.
La temperatura effettiva
Possiamo definire la temperatura effettiva come un indice che unisce l’effetto di temperatura, umidità e velocità dell’aria. Appartiene agli indici empirici e fu definita da Yaglou e Houghton come la sensazione identica a quella sperimentata in un ambiente al 100% di umidità relativa: tale sensazione poteva essere riprodotta modificando la combinazione delle tre variabili sopra citate.
Nonostante ciò, tale metodo non risultava particolarmente utile utilizzando valori di temperatura secca ragionevoli e più comuni, motivo per il quale nel 1974 un gruppo di lavoro dell’università dello Stato del Kansas (KSU) propose una nuova definizione della temperatura effettiva che considerava una percentuale di umidità relativa del 50%. Il risultato fu il diagramma ASHRAE-KSU, nel quale, sulla base di un abaco psicometrico, vengono definite le zone di comfort e delle linee di temperatura effettiva costante. In questo caso, la velocità ammessa era inferiore a 0,2286 m/s, il grado di abbigliamento compreso tra 0,4 e 0,6 clo e l’attività metabolica compresa tra 1 e 1,2 met.
I margini e la flessibilità rispetto ai parametri di comfort sono il frutto del differente adattamento del corpo e del periodo dell’anno in cui ci troviamo. Al digramma possono essere applicate varie correzioni come la latitudine, l’altitudine , l’attività metabolica, il grado di abbigliamento o il movimento dell’aria. Possiamo vedere un esempio di tali correzioni nel grafico a continuazione.
Condizioni interiori di benessere igrotermico
Esistono fondamentalmente due sistemi di definizione o standard di comfort termico:
- Il metodo basato sul PMV: basato sulle teorie e gli esperimenti di Ole Fanger, viene chiamato anche metodo statico o costante. Non considera l’adattamento degli individui alle condizioni climatiche ed è il metodo più diffuso.
- Il metodo adattativo: applicabile solo in edifici non climatizzati e in cui le persone hanno accesso alle finestre per ventilare naturalmente gli ambienti, si basa sull’adattamento dimostrato degli individui alle condizioni climatiche esterne, tanto a livello di abbigliamento come psicologico. La tassa metabolica deve essere compresa tra 1 e 1,3 met.
Questi metodi sono normati dagli standard ASHRAE-55 e EN-16798.
Indipendentemente dalle condizioni di progetto puramente igrotermiche, ci sono due aspetti aggiuntivi che occorre considerare:
- Il tempo di occupazione: il corpo umano ha infatti bisogno di circa tre ore per adattarsi all’ambiente in cui si trova
- L’asimmetria termica: è il fenomeno che possiamo definire come “effetto parete fredda”, ovvero la presenza di una superficie considerevolmente più fredda o calda, causa di una percentuale di persone insoddisfatte più alta.
Strumenti per il calcolo del comfort termico: il CBE Thermal Comfort Tool
Uno strumento online per il calcolo del comfort termico secondo gli standard sopra citati è il CBE Thermal Comfort Tool. Attraverso questa applicazione possiamo scegliere lo standard di riferimento (ASHRAE-55 o EN-16798) e il metodo di definizione del comfort, PMV o adattativo. Fissando i valori delle differenti variabili possiamo quindi vedere graficamente se ci troviamo in zona di comfort oppure no.
Come ridurre i costi energetici: comfort termico passivo in architettura
Arriviamo dunque al concetto di comfort termico passivo in architettura. Normalmente, per garantire le condizioni di benessere in un ambiente, ricorriamo all’uso di sistemi di riscaldamento o climatizzazione estiva. Ma un edificio progettato con criteri di sostenibilità energetica come una buona orientazione, un sapiente dimensionamento delle aperture a sud, un approfittamento e accumulazione della radiazione solare attraverso l’inerzia termica delle strutture e una ventilazione naturale estiva efficace, può essere in grado di raggiungere tali condizioni senza l’ausilio di nessun sistema, detto in altre parole lo può raggiungere passivamente. Oltre a ridurre a zero i fabbisogni energetici e dunque i consumi, possiamo in questo caso prescindere dall’installazione di impianti, risparmiando una ingente somma di denaro.
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