Benessere termoigrometrico e comfort termico

Benessere termoigrometrico e comfort termico: UNI EN ISO 7730 e criteri ambientali minimi. Analisi delle metodologie di calcolo e richieste normative

Negli ultimi anni sono state emanate a livello europeo, nazionale e regionale varie leggi e norme relative al risparmio energetico che indicano i criteri per la progettazione di nuove costruzioni o per gli interventi di riqualificazione energetica del patrimonio edilizio esistente.

Intraprendere interventi di risparmio energetico significa consumare meno energia e ridurre le spese di condizionamento e riscaldamento, contribuire alla riduzione del consumo globale di combustibili, contribuire alla riduzione dell’inquinamento, ma anche migliorare le condizioni il comfort all’interno delle abitazioni.

Il risparmio energetico e il comfort degli ambienti vanno di pari passo.

Nell’ottica di migliorare il comfort interno degli edifici nel rispetto del risparmio energetico si muovono anche i Criteri Ambientali Minimi (CAM) del dm 11 gennaio 2017 “Adozione dei criteri ambientali minimi per gli arredi per interni, per l’edilizia e per i prodotti tessili.

In particolare, nell’allegato 2 “Criteri ambientali minimi per l’affidamento di servizi di progettazione e lavori per la nuova costruzione, ristrutturazione e manutenzione di edifici pubblici” sono indicati i criteri che consentono di assicurare prestazioni ambientali al di sopra della media.

Tra le specifiche tecniche dell’edificio indicate dai CAM, oltre ai vincoli su diagnosi energetica, prestazione energetica e risparmio idrico sono indicati anche criteri sulla qualità ambientale interna (comfort).

Tra le indicazioni di comfort viene normato il comfort termo-igrometrico oggetto di questo articolo.

Il comfort termo-igrometrico

Il benessere termo-igrometrico dell’individuo può essere definito come “la condizione mentale di soddisfazione nei confronti dell’ambiente termico” [UNI ISO EN 7730]; coincide con lo stato in cui il soggetto non sente caldo né freddo.

La sensazione di benessere è diversa da soggetto a soggetto e dipende da fattori quali:

  • il metabolismo
  • la temperatura
  • il sesso
  • lo stato psico-fisico
  • il vestiario
  • l’età
  • l’attività che sta svolgendo
  • ecc.

Alcuni sono parametri ambientali misurabili e altri fattori personali non quantificabili.

Nonostante il grande numero di parametri che la possono influenzare, alla base della sensazione termica del corpo umano c’è la temperatura degli organi interni che si attesta, in individui sani, sui 37° C, con una variazione di circa mezzo grado centigrado.

Infatti, vista la necessità di mantenere costante la temperatura interna, l’ipotalamo attiva il sistema di termoregolazione che è essenzialmente di due tipi:

  • vasomotorio
  • comportamentale

In base all’ambiente caldo o freddo, l’ipotalamo effettua una dilatazione o costrizione dei vasi sanguigni per aumentare o ridurre l’afflusso di sangue alla periferia. Se questo non  bastasse, l’ipotalamo passerà alla termoregolazione comportamentale: sudorazione e riduzione dell’attività fisica oppure brividi e posizioni del corpo rannicchiate.

Modelli di comfort termico

Per la valutazione del comfort termo-igrometrico esistono diversi modelli basati sia su aspetti fisiologici e comportamentali, sia su analisi statistiche, in modo da coprire anche le diverse sensibilità dei soggetti.

I modelli più utilizzati per valutare il comfort termico sono:

  • modello di Fanger
  • modello adattivo

Il modello di Fanger è stato sviluppato negli anni ’60 ed è lo standard principale a cui si rifanno le principali norme. Deriva da studi statistici condotti in laboratorio e dalla teoria dei bilanci termici applicati al corpo umano. È applicato tipicamente ad ambienti condizionati meccanicamente.

Il modello adattivo è più recente e deriva da studi statistici condotti in edifici reali. È meno restrittivo sulla soddisfazione termica del soggetto rispetto al modello Fanger e permette di ottenere comfort a costi energetici inferiori. È applicato tipicamente ad ambienti senza condizionamento meccanico.

Sul modello di Fanger è basata la norma UNI EN ISO 7730, norma indicata nei CAM per la valutazione del comfort termo-igrometrico.

Confort termico per il corpo umano nel suo complesso

Il corpo umano è un sistema termodinamico che scambia calore e lavoro con l’ambiente esterno. La seguente equazione descrive il bilancio termico tra corpo umano e ambiente:

S = M – L – Esk – Eres – C – R – Ck

dove:

  • S è la variazione di energia interna del corpo umano nell’unità di tempo (potenza acquisita o ceduta)
  • M è la potenza generata dall’attività metabolica
  • L è la potenza meccanica scambiata tra corpo umano e ambiente
  • Esk è la potenza termica dispersa per evaporazione attraverso la pelle
  • Eres è la potenza termica dispersa nella respirazione
  • C è la potenza termica scambiata per convezione
  • R è la potenza termica scambiata per irraggiamento
  • Ck è la potenza termica scambiata per conduzione

I termini in gioco nell’equazione dipendono da fattori dall’ambiente fisico (temperatura dell’aria, temperatura media radiante, velocità dell’aria, umidità), fisiologici (sudorazione, respirazione) e comportamentali (vestiario, attività).

 

Affinché il soggetto sia in condizioni di potenziale benessere è necessario imporre S = 0. Ma questo non è sufficiente a causa dei meccanismi di autoregolazione della temperatura corporea che sono in parte soggettivi.

Fanger con i suoi studi sperimentali condotti su 1300 soggetti ha potuto dimostrare che i fattori fisiologici sono fortemente correlati al metabolismo specifico, al rendimento meccanico del corpo umano ed alla sensazione di confort.

 

La sensazione di confort nei suoi studi è espressa con un voto numerico in una scala di sette valori:

 

Voto Sensazione termica
+3 Molto caldo
+2 Caldo
+1 Abbastanza caldo
0 Né caldo né freddo
-1 Abbastanza freddo
-2 Freddo
-3 Molto freddo

 

L’equazione del confort è la seguente e risulta dipendere da otto variabili:

PMV = f(M, Icl, tbs, tmr, vr, pV, tsk, Esw)

dove

  • PMV, Predicted Mean Vote: voto medio previsto
  • M [W/m²] è il metabolismo energetico
  • Icl [m² K/W] è l’isolamento termico dell’abbigliamento
  • tbs [°C] è la temperatura ambiente a bulbo secco
  • tmr [°C] è la temperatura media radiante
  • vr [m/s] è la velocità relativa dell’aria
  • pV, [Pa] è la  pressione parziale del vapore d’acqua
  • tsk, [°C] è la  temperatura della pelle
  • Esw [W/m²] è la potenza dispersa per sudorazione

Il PMV è la sensazione termica avvertita in un dato ambiente da un individuo dotato di media sensibilità.

La norma UNI EN ISO 7730 per individuare un ambiente in Classe A richiede un PMV compreso tra -0,2 < PMV < 0,2.

Per un ambiente in Classe B prevede un PMV tra -0,5 < PMV < 0,5 e per un ambiente in Classe C un PMV tra -0,7 < PMV < +0,7.

Il PMV prevede il valore medio dei voti di sensazione termica espressi da un gran numero di persone esposte allo stesso ambiente; i voti individuali sono quindi dispersi intorno a questo valore medio.

Per prevedere il numero di persone che hanno una sensazione non confortevole di caldo o di freddo è possibile calcolare la percentuale prevista di insoddisfatti (PPD). Il PPD è funzione del PMV e impone che un individuo insoddisfatto voti con un valore inferiore a -2 (freddo) o superiore a 2 (caldo).

Statisticamente anche con PMV prossimi allo zero si avrà una piccola percentuale di insoddisfatti. Ad esempio per PMV pressoché nullo ci sarà circa il 5% di soggetti insoddisfatti.

Fanger indica un PPD massimo del 7.5%, invece la UNI EN ISO 7730 prescrive un PPD massimo del 10% che corrisponde ad un PMV tra -0,5 < PMV < 0,5 e, quindi, alla Classe B.

I CAM al paragrafo 2.3.5.7 “Comfort termoigrometrico” indicano che “bisogna garantire condizioni conformi almeno alla classe B secondo la norma ISO 7730:2005 in termini di PMV (Voto Medio Previsto) e di PPD (Percentuale Prevista di Insoddisfatti)”. Inoltre “bisogna garantire la conformità ai requisiti previsti nella UNI EN 13788 ai sensi del DM 26 giugno 2015 anche in riferimento a tutti i ponti termici”.

La UNI EN ISO 7730 per il calcolo del PMV, oltre al metodo analitico, fornisce un metodo tabellare che parte dalla conoscenza della temperatura operativa.

La temperatura operativa è definita come la temperatura uniforme di una cavità in cui il soggetto scambierebbe per irraggiamento e convezione la stessa energia che effettivamente scambia nell’ambiente reale non uniforme.

Discomfort termico locale

Il PMV e il PPD esprimono il confort termico per il corpo umano nel suo complesso. Tuttavia l’insoddisfazione termica può essere causata anche da un disagio termico di una parte del corpo. Ad esempio le correnti d’aria possono creare disagi a livello del collo o i pavimenti freddi un disagio a livello dei piedi.

Nella UNI EN ISO 7730 sono indicati i seguenti Discomfort locali:

  • Corrente d’aria
  • Differenza verticale della temperatura dell’aria
  • Pavimenti caldi o freddi
  • Asimmetria radiante

La UNI EN ISO 7730 in appendice A aggrega il comfort globale con il confort locale e estrapola le seguenti categorie di classificazione dell’ambiente:

Categoria Stato termico complessivo Discomfort termico locale
PPD (%) PMV Corrente d’aria

DR (%)

Differenza temp. verticale

PD (%)

Pavimenti caldi o freddi

PD (%)

Asimmetria radiante

PD (%)

Classe A <6 -0,2 < PMV < +0,2 <10 <3 <10 <5
Classe B <10 -0,5 < PMV < +0,5 <20 <5 <10 <5
Classe C <15 -0,7 < PMV < +0,7 <30 <10 <15 <10

 

Nei paragrafi seguenti sono descritti i vari discomfort locali.

 

Discomfort per corrente d’aria

Il modello per la determinazione della percentuale di insoddisfatti per correnti d’aria presente nella UNI EN ISO 7730 si applica a persone che svolgono attività leggera, soprattutto sedentaria con sensazione termica globale prossima alla neutralità. Il disagio per correnti d’aria è minore per attività a metabolismo energetico più alto della sedentarietà e per soggetti che avvertono una sensazione di caldo piuttosto che di neutralità.

Il disagio dipende dalla temperatura dell’aria, dalla velocità media dell’aria e dall’intensità della turbolenza.

Questo modello prevede bene il rischio da corrente d’aria al collo, invece potrebbe sovrastimare la previsione di disagio per braccia e piedi.

La UNI EN ISO 7730 propone per la Classe B una percentuale di insoddisfatti di circa il 20%.

Discomfort per differenza verticale della temperatura dell’aria

Il modello per la determinazione della percentuale di insoddisfatti per differenza verticale di temperatura dell’aria presente nella UNI EN ISO 7730 è valido per differenze di temperatura tra testa e piedi inferiori agli 8°C.

All’aumentare della differenza di temperatura aumenta in maniera non lineare anche la percentuale di insoddisfatti.

La UNI EN ISO 7730 propone un limite di 3°C (Classe B) che corrisponde ad una percentuale di insoddisfatti di circa il 5%.

Discomfort per pavimenti caldi o freddi

Questo disagio è causato dallo scambio termico tra corpo e pavimento attraverso i piedi. I fattori che lo influenzano sono la temperatura del pavimento, la conducibilità termica e la capacità termica del materiale da cui è rivestito il pavimento, il tipo di calzature indossate e il tempo trascorso.

Il modello per la determinazione della percentuale di insoddisfatti per pavimenti caldi e freddi presente nella UNI EN ISO 7730 è stato ricavato da studi su persone in piedi e/o in stato sedentario con calzature.

In soggetti che indossando calzature, anche leggere, e che si trovano in stato di neutralità termica il benessere dipende principalmente dalla temperatura più che dal materiale da cui il pavimento è ricoperto.

I limiti di temperatura proposti dalla UNI EN ISO 7730 vanno tra 19°C e 28°C (Classe B) che corrispondo ad una percentuale di insoddisfatti di circa il 10%.

Per i soggetti che si muovono a piedi nudi i limiti di temperatura del pavimento sono leggermente differenti: in questo caso è necessario riferirsi alla ISO/TS 13732-2 (Methods for the assessment of human responses to contact with surfaces — Part 2: Human contact with surfaces at moderate temperature).

Discomfort per asimmetria radiante

Il disagio per asimmetria radiante può derivare dalla presenza di superfici con temperatura differente da quella ambientale come ad esempio vetrate, pareti non isolate, macchinari, pannelli caldi o freddi su pareti o soffitto.

 

 

 

La UNI EN ISO 7730 propone quattro modelli per coprire tutti i casi di discomfort da asimmetria radiante:

  • Soffitto caldo, valido per temperatura radiante asimmetrica <23°C
  • Parete fredda, valido per temperatura radiante asimmetrica <15°C
  • Soffitto freddo, valido per temperatura radiante asimmetrica <15°C
  • Parete calda, valido per temperatura radiante asimmetrica <35°C

Questi modelli dipendono esclusivamente dal valore della temperatura radiante asimmetrica che è definita come la differenza tra la temperatura radiante planare di due superfici opposte. La temperatura radiante planare è la temperatura proveniente dalla direzione perpendicolare alla superficie di misura.

La UNI EN ISO 7730 propone per la Classe B una percentuale di insoddisfatti di circa il 5%.

Condizioni di benessere stagionali

Dalle indicazioni della UNI EN ISO 7730, per soggetti in stato sedentario e/o in attività leggera, è possibile estrapolare le seguenti condizioni di benessere valide per il periodo invernale ed estivo in cui è attivo il sistema di climatizzazione:

Variabile Periodo invernale Periodo estivo
Temperatura operativa 20 – 24 °C 23 – 26 °C
Differenza verticale di temperatura (tra 1,1m e 0,1 m dal pavimento) < 3 °C < 3 °C
Temperatura superficiale del pavimento 19 – 26 °C
Asimmetria temperatura radiante pareti < 10 °C
Asimmetria temperatura radiante soffitto < 5 °C
Umidità relativa 30 – 70 % 30 – 70 %
Velocità aria (ad es. per DR 15% da grafico precedente) 0,15 m/s (22 °C) 0,17 m/s (24 °C)

Nella porzione di diagramma psicrometrico seguente vengono mostrate le due condizioni stagionali precedenti con: temperatura operativa uguale a temperatura a bulbo secco, metabolismo di un soggetto in attività sedentaria vestito in maniera leggera.

Conclusioni

Per gli edifici pubblici di nuova costruzione, in ristrutturazione e manutenzione i Criteri Ambientali Minimi del Decreto 11 gennaio 2017 “Adozione dei criteri ambientali minimi per gli arredi per interni, per l’edilizia e per i prodotti tessili” prevedono dei limiti sul confort ambientale.

In particolare nell’allegato 2 sono indicati i criteri per il comfort termo-igrometrico.

Per edifici di nuova costruzione si intendono gli edifici ai sensi del paragrafo 1.3 dell’allegato 1 del DM 26 giugno 2015 “Applicazione delle metodologie di calcolo delle prestazioni energetiche e definizione delle prescrizioni e dei requisiti minimi degli edifici”.

Per ottenere il confort termo-igrometrico il tecnico progettista deve garantire condizioni conformi almeno alla classe B della UNI EN ISO 7730 in termini di PMV e di PPD senza trascurare i requisiti previsti nella UNI EN 13788 (DM 26 giugno 2015) sui ponti termici.

Il tecnico per ogni ambiente termico deve valutare il comfort globale del corpo umano nella stagione di raffrescamento e di riscaldamento secondo quanto previsto dallaUNI EN ISO 7730 per ottenere PMV e PPD e quindi la classe.

La valutazione del comfort può essere eseguita analiticamente risolvendo le equazioni indicate dalla norma UNI EN ISO 7730 oppure attraverso i prospetti in appendice E alla stessa norma.

 

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