Comfort Termoigrometrico - Fanger

COMFORT TERMICO

^{(COMFORT TERMOIGROMETRICO)}

• Stabilisci le condizioni di uscita dal volume di controllo

SCOPI DI UN IMPIANTO DI CLIMATIZZAZIONE

• Garantire il benessere termico delle persone nel locale asservito dall'impianto di climatizzazione.
• Teoria del comfort termico
• Interazione tra persone e ambiente
• Temperatura note e costanti
• Umidità

AMBIENTE TERMICO

• A.T. MODERATI  Obiettivo: raggiungimento compl. benessere
• A.T. SEVERI: industriali, no patologie stress termici (categoria 31°C - 16°C in < 5min)

• Comfort termoigrometrico UNI EN ISO 7730
• "Condizione mentale di soddisfazione relativa all'ambiente termico"
• Soggettiva difficoltà nel soddisfare tutti, approccio statistico
• 1) Sensazione generale di benessere calore o freddo: "Neutralità termica"
• 2) Disuniformità locali di condizioni che interessano parti del corpo. (es. spifferi)

CORPO UMANO

• T_corp = 37°C
• Sensori: ipotalamo (ghiandola alla base del cervello)
• Controlla la temp. interna
• CutE controlla la temp. est.
• Difficilmente T < 36°C senza che ipotalamo se ne accorga.
• Se T > 37°C meccanismi di sudorazione flusso sanguigno aumentato
• Se T < 34°C cutE brividi riduzione flusso sanguigno
• Se i due impulsi sono uguali → neutralità termica
• Se uno prevale → sensazione di caldo/freddo.

TERMOREGOLAZIONE

Comfort Termico

(Comfort Termoigrometrico)

• Stabilisce le condizioni di uscita dal volume di controllo

Scopo di un impianto di climatizzazione

• Garantire il benessere termico delle persone nel locale asservito dall'impianto di climatizzazione.

Teoria del comfort termico interazione tra persone e ambiente

• Temperatura → note e costanti
• Umidita'

• Slide: comfort termoigrometrico e condizioni interne di progetto per gli impianti di climatizzazione → breaf

Ambiente termico

• A.T. moderati
• Obiettivo: raggiungimento comfort benessere
• A.T. severi: industriali, no patologie stress termici (categoria 91'C ➔ 46'C in < 5 m)

Comfort termoigrometrico UNI EN ISO 7730 "condizione mentale di soddisfazione relativa all'ambiente termico"

• Soggettiva difficile da soddisfare tutti. Approccio statistico
• 1) Sensazione generale di benessere caldo o freddo: neutralità termica.
• 2) Disuniformità locali di condizioni che interessano parti del corpo. (Es. spifferi)

Corpo umano

T_corp = 37°C

• Sensori: ipotalamo / ghiandole alla base del cervello

• Controlla la temp. interna

• Cute controlla ca temp. est.

• Difficilmente T ≤ 36°C senza che ipotalamo se ne accorga.
• Se T > 37°C ➔ meccanismi di sudorazione flusso sanguigno aumenta.
• Se T < 34°C ➔ cute = brividi riduzione flusso sanguigno
• Sensori sempre attivi
• Attività fisica analisi dei sensori
• Se i due impulsi sono uguali ➔ neutralità termica
• Se uno prevale ➔ sensazione di caldo/freddo.

Termoregolazione

• BILANCIO ENERGETICO DEL CORPO UMANO
• CONDIZIONE DI COMFORT TERMICO - STAZIONARIE
• INPUT ENERGETICI = OUTPUT ENERGETICI

INPUT DIGESTIONE → METABOLISMO → TASSO METABOLICO M [ W/m² ] [ met ] 1 met = 58,15 W/m² Sup.Corp ≅ 1,7 ÷ 1,8 m²

Se met = 1 ⊗ • 100 W      = 1 SEDUTA A RIPOSO → TABELLE DEI VALORI

• LAVORO MECCANICO COMPIUTO
• SCAMBIO TERMICO ( COND, CONV, IRR )
• SCAMBIO DI MASSA ( SUD, TRASP, UMID. DELL'ARIA NEI POLMONI )
  • ARIA OUT ϕ=100% T = 37°C
  • ABBIAMO IMMESSO VAPORE
  • H₂O NEL CORPO TENDE A DIMINUIRE
• SCAMBIO SENSIBILE^COND CONVEZIONE (ARIA) 90%, POCO ISO/UM ABIGLIAM. + IRRAGGIAMENTO 60%, TANTO ISO/UM ABIGLIAM.
• SCAMBIO LATENTE → CALORE LATENTE!
  • MOLTO GRANDE ED EFFICACE
  • ≈ : ⁄

T_amb ↓ ↑SCAMBIO TERM. ENN. PERUAHL (T_-T^amb)↓

M – W = Q_SH + Q_RES + S =

M = TASSO DI PROPR. METAB. W = POT MEC. PRO Q_SH = TOT POT OUT PELUO Q_RES = TOT POT OUT RESPIRA S = ACCUMULO    ∂U           ∂t

Si introduce la resistenza termica dell'abbigliamento

CLO = 0,155 m²k/W

0,15 - 0,5 - 1,0 - 1,2

Hyp: res termica serie

Sup disperdente → est. dei vestiti → fattore correttivo

no pelle

Modello di Fanger

Da soggettivo → a oggettivo

Voto da -3 a +3

cold hot

PMV Voto medio previsto

PPD Percentuale prevista insoddisfatte

PMV = 0 → PPD 5%

gaussiana ribaltata

impossibile realizzare cond. amb. perfette

per tutti

Benessere Termico

Precedentemente il limite era imposto come vincolo sulla temperatura interna rispetto a valori prefissati.

La sensazione di benessere termico è la risultante di

• Fattori personali:
  • Abbigliamento
  • Livello di attività intellettuale e fisica
  • Stato di salute
• Caratteristiche del locale:
  • Temperature delle superfici che lo circondano
  • Temperature elementi radianti.
• Impianto di climatizzazione:
  • Temperatura
  • Umidità
  • Velocità dell'aria

La metodologia attuale indicata dalle norme UNI 10339 ISO 7730 è quella degli indici PMV e PPD.

• Approccio prescrittivo T aria, φ estiva, invernale
• Approccio prestazionale PMV e PPD

• Benessere globale PMV, PPD
• Benessere locale Top. Gradiente verticale asimmetria radiante velocità aria, pavimento.

PMV

Cioè predicted mean vote, è il voto medio che ci si può aspettare di ottenere mediando, su un campione sufficientemente ampio, il voto di sensazione termica utilizzando una scala di sette valori.

Scata psicofisica di sensazione termica (ISO)

• MOLTO CALDO
• CALDO
• LEGGERMENTE CALDO
• NEUTRALE
• LEGGERMENTE FREDDO
• FREDDO
• MOLTO FREDDO

La norma ISO 7730 raccomanda che

-0,5 ≤ PMV ≤ 0,5

PPD

Cioè predicted percentage of dissatisfied, è la percentuale prevista di insoddisfatti da un determinato ambiente termico. Per insoddisfatta si intende una persona il cui voto in modulo è ≥ 2.

Nella norma ISO è fornita una rappresentazione grafica sperimentale della relazione tra PMV e PPD:

PPD = 100 - 95 e^{- (0,03353 PMV4 + 0,2179 PMV2)}

PPD = 5 + 20,97 PMV² e^PMV4

OSS. Per PMV = 0 si ha PPD = 5%.

"È impossibile realizzare una unica condizione ambientale che soddisfi tutti."

Equazione di Fanger

Mettono in relazione PMV e PPD con alcune variabili in grado di descrivere il meccanismo di scambio termico.

f ( M, W, I_ce, t_a, t_r, v_a, p_a ) = ∅

• Fattori personali:
• 1) Tasso metabolico M [W/m²] o [met]
• 2) Lavoro meccanico W [W/m²]
• 3) Indice di resistenza termica dell'abbigliamento I_ce [m².K/W]·[Clo]

• Fattori ambientali:
• 4) Temperatura aria interna t_a [°C]
• 5) Temperatura media radiante t_r [°C]
• 6) Velocità media dell'aria v_a [m/s]
• 7) Pressione parziale del vapore nell'aria [Pa]

Temperatura Operativa t_o

A) La temperatura operativa è pari alla media aritmetica dei valori delle temp. aria e temp. media rad.

t_o = (t_r + t_a) / 2

B) Formula

• A = f (v_a)

k_m [m/s]

Temperatura Media Radiante

È la temperatura "immaginaria" di una cavità, nera ed isoterma, in cui la persona scambierebbe la stessa potenza termica che scambia nell'ambiente reale.

Può essere calcolata a partire dalle temperature, dalle aree e dai fattori di vista delle superfici che delimitano il locale tramite:

MRT = t_R

→ MRT = ∑ t_i ⋅ ϴ_i / 360°

Temperatura Operativa

È uguale a quella di un manichino non riscaldato, quindi simuli le caratteristiche di scambio termico, per il trasduttore:

• Scambio radiativo uguale a quello convettivo
• Uguali fattori di vista con l'ambiente circostante
• Stessa emissività ad ogni lunghezza d'onda.

Temperatura di Comfort t_co

È definita come la temperatura equivalente alla quale una persona si sente a suo agio dal punto di vista termico.

È calcolabile con l'equazione del comfort

CALCOLO DEL PMV

Assegnati i valori dei parametri personali: _Icl e M, pocile W - φ

Si determina il PMV a partire dai parametri ambientali: t_o, t_r, v_a, R_H

Per un singolo punto se l’ambiente termico è uniforme, oppure nel caso di situazioni più complesse → vari punti opportunamente distribuiti.

• Diagrammi
• Equazione analitica
• Programma di calcolo.

DIAGRAMMA SEMPLIFICATO

• Le curve continue rappresentano le condizioni di neutralità termica PMV = 0
• Le curve tratteggiate, lo scostamento accettabile dalla temp. operativa. Con PMV tra –0,5 e +0,5

L'effetto della resistenza dell'abbigliamento per velocità dell’aria e metabolismo fissi.

φ influisce poco sulla sensazione termica

A pari _Icl M φ: 30% → 70%

La t_o cambia di 1°C

N.B. φ < 30%: secchezza dell’apparato respiratorio e abbassamento difese immunitarie

φ > 70%: fastidi, proliferazione germi patogeni e insorgenza di muffe e condense sulle pareti

In condizioni di abbigliamento e umidità relative tipiche (invernale ed estiva), per un fissato valore di tasso metabolico e di velocità dell'aria, il diagramma fornisce direttamente il PPD in funzione della sola temperatura operativa. Noto il PPD si calcola PMV.

PPD

t_o

Esempio: Inverno

Determinazione della temperatura operativa

Parametri personali

• M = 1,2
• I_cl = 1clo

Parametri ambientali

• Φ = 0,50
• V_a = 0 m/s

t_o = 24,5 ± 2 °C

PMV = 0 ± 0,5

Esempio: Estate

M = 1,2

I_cl = 0,5 clo

t_o = 28°C V_a = 0m/s

β = 0,50

t_o = 24,5 ± 1,5°C

→ PMV = 0,8 Non confortevole

Soluzioni?

1. ↓ t_o a pari V_o
2. ↑ V_a a pari t_o
3. Un mix delle due.

Discomfort Termico Localizzato

Le principali cause di discomfort termico localizzato sono:

• A) Correnti d'aria → Raffreddamento convettivo locale
• B) Asimmetria radiante → Raff./Risc. per irraggiamento termico
• C) Differenze verticali di temperatura dell'aria → Es. piedi freddi e testa calda
• D) Temperatura del pavimento. → Piedi caldi/freddi.

Questo disagio non può essere eliminato agendo sulla temperatura di un luogo chiuso ma è necessario rimuovere le cause del surriscaldamento/raffreddamento locale.

A) Discomfort da corrente d'aria

L'uomo non riesce a sentire la velocità dell'aria ma quello che sente sono indesiderati raffreddamenti locali del corpo. Più sensibile su parti scoperte.

La quantità di energia termica dispersa dal corpo a causa delle correnti d'aria dipende dalla temperatura, dalla velocità media e dalla turbolenza dell'aria.

Il discomfort dipende anche dalla fluttuazione della temperatura della pelle.

Elevata turbolenza è più fastidiosa a parità di flusso termico.

I continui abbassamenti di temperatura a causa delle fluttuazioni provocano l'invio di segnali di disagio termico, se f ≠ 0,5 Hz → Forte disagio. f > 2 Hz → Non avvertite.

Per descrivere come fluttua la velocità dell'aria:

• Intensità di turbolenza Tu = \(\dfrac{100 \cdot SD}{Va}\) ^[%]
• \(SD\) = Deviazione standard della velocità dell'aria ^[m/s]
• \(Va\) = Velocità media locale dell'aria ^[m/s]

Rischio di correnti d'aria:

• DR = \(34 - ta(Va - 0,05) \cdot (0,37 \cdot Va \cdot Tu + 3,14)\) ^[%]
• (Norma UNI EN ISO 7730)

Limiti alla velocità di immissione dell'aria in ambiente in funzione della temperatura

• Vmax inverno = 0,15 m/s
• Vmax estate = 0,25 m/s

B) Discomfort da asimmetria media radiante

La radiazione termica non uniforme può essere causa di discomfort. Per rappresentare la non "uniformità" del campo radiante si usa la grandezza asimmetria media radiante (asimmetria della temperatura radiante) Δt_pr definita come la differenza tra la temperatura piana radiante (t_pr) delle due facce opposte di un elemento piano.

(_→ Soffitti caldi e finestre fredde sono i maggiori disagi termici.)

[Graph illustrating radiant temperature asymmetry]

c) Discomfort da differenza verticale della temperatura dell'aria

Non confortive piedi freddi - testa calda sia che avvenga per irraggiamento che per convezione. Questo fenomeno può avvenire a causa della stratificazione spontanea dell'aria.

UNI-EN-ISO 7730 stabilisce Δt_massimo = 3°C → PPD = 5%.

La differenza verticale della temp. aria viene espressa come la differenza tra temp. aria a livello della caviglia e del collo.

[Graph illustrating air temperature difference between head and ankles]

Discomfort da temperatura del pavimento

È lo scambio termico attraverso i piedi che produce il discomfort. Questo scambio dipende oltre che dalla temperatura, anche dalla conducibilità termica e capacità termica del materiale di cui è fatto il pavimento ed il tipo di calzature.

UNI-EN-ISO 7730 PPD = 40%

19°C < T_floor < 29°C

Esempio: Discomfort termico localizzato pavimento con pannelli radianti

Parametri personali M = 1,5 metI_cl = 0,8 clo

Parametri ambientali t_a + t_mr = 21°Cφ = 50%v_a = 0,1 m/s

P_MV = 0,23PPD = 6%

Se T_floor = 30°C ⟶ PPD_loc?

☐ Fine Discomfort