IL BENESSERE TERMOIGROMETRICO

 

 

Il corpo umano ha, dal punto di vista termico, una esigenza fondamentale :mantenere la sua temperatura interna molto stabile, su valori di 37 ± 0.5°C anche se il corpo produce costantemente calore, come risultato della sua attività metabolica. Per conseguire il primo obiettivo, il corpo deve quindi cedere all’ambiente questa quantità di calore : non di più, altrimenti la sua temperatura interna diminuirebbe, non di meno, altrimenti essa crescerebbe.

Definiamo quindi equilibrio termico la condizione in cui il corpo riesce, facendo eventualmente ricorso ai suoi meccanismi di autoregolazione, ad eguagliare i termini positivi e negativi relativi alla produzione interna di calore ed agli scambi di calore con l’ambiente.

Definiamo benessere termoigrometrico la condizione mentale che esprime soddisfazione nei confronti dell’ambiente termico. La condizione per cui si abbia la più alta percentuale di persone che esprimono un giudizio di benessere è definita di benessere ottimale.

Come ho già accennato prima, il corpo umano può riuscire a mantenere l’equilibrio termico, ma a spese di autoregolazioni che danno sensazioni spiacevoli. Questa spiacevolezza delle sensazioni, è proprio un segnale, un indicatore della “fatica” che il corpo sta facendo per mantenere l’equilibrio.

I fondamentali meccanismi di autoregolazione di cui il corpo dispone per adattarsi alle mutevoli condizioni termiche sono :

la variazione di sezione dei vasi che portano il sangue alla pelle 

la variazione di sezione dei pori.

Mediante il primo, il corpo regola l’afflusso di sangue ai tessuti cutanei, e quindi il calore che esso trasporta. Di conseguenza, la temperatura media cutanea, ts varia.

Con il secondo, il corpo controlla la quantità di acqua che può affluire verso la cute, ove può evaporare, così asportando calore dal corpo. Indichiamo questo termine con Esw.

Come è facile capire, lo studio del comfort, essendo relativo e personale, è quanto mai problematico, nel senso che è molto complicato formularne un’ipotesi matematica da applicare a monte nei calcoli. La quasi impossibilità di questo fatto è principalmente legata alle differenti sensazioni e risposte che il nostro corpo ha in un determinato ambiente.

Esistono comunque approcci e metodologie allo studio del comfort termoigrometrico quali :

 

-1-  METODO ASHRAE. Elaborato dall’ American society of heating, Refrigerating and Air-Conditioning engineers, la quale stipulò una serie di tabelle relative alla tipologia dell’ambiente, alla sua posizione ed alle persone che lo abitano, dove sono riportate le condizioni ottimali, alle quali noi dobbiamo cercare di avvicinarsi il più possibile.

 

-2-  METODO DI FANGER. Prende il nome dal fisico che con la collaborazione diretta dei suoi studenti, studiò le differenti reazioni del corpo umano correlate a varie sollecitazioni termiche. Basandosi sulla percentuale di persone insoddisfatte, il metodo di Fanger definisce quelle condizioni di benessere che assicurano il comfort ottimale.

Questo metodo viene utilizzato da enti preposti, per verificare e collaudare gli impianti di riscaldamento e condizionamento delle abitazioni. La legislazione italiana, prevede che questi controlli debbano essere svolti a scadenza regolare negli edifici pubblici, mentre per quelli privati, ne è sufficiente uno solo.

Le due metodologie sopra citate, affrontano il problema del comfort, trattando il corpo umano come un sistema aperto , il cui bilancio energetico è :

 

åM×I ( eCINi + ePOTi + hi ) = Q× - L×              (1)

 

attraverso il quale, esprimiamo una situazione di regime, un equilibrio fra il calore prodotto al suo interno e quello scambiato con l’esterno.

 

L’equazione (1)  può essere posta nella forma :

 

M - LP - LG - U - ED - ES - ER - VS = K = R + C       (2)

 

in cui i diversi termini del primo membro rappresentano gli scambi di calore nell’unità di tempo, in funzione delle variabili che intervengono a governare i diversi tipi di scambio. La somma algebrica di tutti questi termini deve dare zero perché il corpo si trovi in condizioni di equilibrio. Questa è una condizione necessaria ma non sufficiente, perché il corpo si trovi in condizioni di benessere.

Fanger ha sviluppato un metodo in cui l’equazione (2) viene scritta imponendo che i suddetti termini assumano i valori ottimali, ovvero quelli che assumerebbero se non fosse necessario attivare nessun meccanismo di autoregolazione.

In questo modo l’equazione darà un risultato diverso da zero, a meno che le condizioni ambientali e operative non siano proprio tali da risultare di benessere. Questo valore diverso da zero, che viene definito sollecitazione termica, esprime il calore netto che verrebbe perso, o guadagnato, se non venisse attivata l’autoregolazione, ovvero se il corpo “pensasse” solo a mantenere le sensazioni piacevoli, permettendo variazioni della temperatura interna.

Fanger è riuscito a correlare la sollecitazione termica con il giudizio che le persone danno delle qualità ambientali, espresse mediante un sistema basato sul Voto Medio Previsto (VMP), cui si può legare la percentuale di persone che si dichiarerebbe insoddisfatta nei confronti dell’ambiente.

I termini operativi che tale metodo utilizza, sono :

 

M=Metabolismo, somma di tutte le produzioni energetiche che avvengono in seguito a reazioni chimiche nel corpo umano ; reazioni che avvengono grazie al cibo ossia fra carbonio ed idrogeno, oppure nell’aria con l’ossigeno. In definitiva è un energia prodotta in seguito alla combustione di carboidrati ed è possibile misurarla in watt.

M varia sensibilmente da persona a persona a causa della diversa corporatura. Valori molto più uniformi si hanno se ci riferisce alla superficie cutanea, ADU che si può calcolare mediante l’espressione :

 

ADU = 0.202 m0.425 h0.725             (3)  

 

dove m è il peso corporeo in kg e h l’altezza in m.

 

Ad esempio una persona di 70 kg e alta 1.80 m , ha una superficie cutanea di :

 

ADU = 0.202(700.425)(1.800.725) = 1.88 m2.

 

La quantificazione del metabolismo viene fatta in unità metabolica standard (MET), equivalente a 58.2 W/m2.

 

Di seguito riporto una tabella del calore metabolico, in relazione a diverse attività.

 

TABELLA 1 : Calore metabolico e rendimento per diverse attività.

 

 

ATTIVITA'

M/A(met)

M/A (W/mq)

Sonno

0,7

40,74

Riposo semisdraiati

0,8

46,56

Seduti

1

58,2

In piedi

1,2

69,84

Cammino in piano con velocità di 3,2 Km/h

2

116,4

Cammino in piano con velocità di 4,0 Km/h

2,4

139,68

Cammino in piano con velocità di 4,8 Km/h

2,6

151,32

Cammino in piano con velocità di 5,6 Km/h

3,2

186,24

Cammino in piano con velocità di 6,4 Km/h

3,8

221,16

Cammino in salita 5% con vel. di 1,6 Km/h

2,4

139,68

Cammino in salita 5% con vel. di 3,2 Km/h

4

232,8

Cammino in salita 5% con vel. di 6,4 Km/h

6,1

355,02

Cammino in salita 25% con vel. di 1,6 Km/h

3,6

209,52

Cammino in salita 25% con vel. di 3,2 Km/h

6,7

389,94

Lavoro di falegnameria (pialla)

5,6 - 6,4

325 - 371

Martello pneumatico

3,0 - 3,4

174 - 197

Lavoro in fonderia

5,0 - 7,0

290 - 406

Meccanico automobili

2,2 - 3,0

128 - 174

Pulizia della casa

2,0 - 3,4

116 - 197

Cucinare

1,6 - 2,0

93

Guidare auto (traffico leggero)

1

58,2

Guidare auto (traffico pesante)

2

116,4

ATTIVITA'

M/A

(met)

M/A (W/mq)

Guidare camion

3,2

186,24

Lavoro in negozio

2

116,4

Insegnamento

1,6

93,12

Scrivere a macchina elettrica

1

58,2

Disegnare

1,1 - 1,3

64 - 75

Lavoro di ufficio generico

1,1 - 1,3

64 - 75

Attività di laboratorio

1,4 - 1,8

81 - 104

Spingere una cariola da 57 kg a 4,5 km/h

2,5

145,5

Spostamento di sacchi da 50 kg

4

232,8

Zappare

4,0 - 6,0

232 - 348

Lavoro in industria meccanica pesante

3,5 - 4,5

203 - 261

Ballo

2,4 - 4,4

139 - 255

Ginnastica

3,0 - 4,0

174 - 232

Tennis singolo

3,6 - 4,6

209 - 267

Pallacanestro

5,0 - 7,6

290 - 441

Lotta

7,0 - 8,7

406 - 505

 

 

 

LP = Lavoro polmonare, energia meccanica prodotta dai polmoni con i loro movimenti, che viene ceduta dal nostro organismo. Quando questa energia è molto elevata, ossia i polmoni sono molto sollecitati, si avverte quella sensazione di fatica nota come fiatone.

 

LG = Lavoro muscolare standard, svolto dalla muscolatura contro la forza di gravità. Sollevando un peso, l’energia interna prodotta dal corpo umano si diffonde nell’ambiente ; appoggiando lo stesso oggetto sollevato, una parte di quell’energia rientra nell’organismo ma non viene riconvertita in energia chimica, la quale potrebbe ricaricare il muscolo, ma viene dissipata in calore come abbiamo visto precedentemente.

 

U = Accumulo, nella situazione normale, l’organismo ha del metabolismo in eccesso e questa quota va sottratta. Dopo una corsa, la temperatura corporea è più alta di 37° C perché il metabolismo è stato maggiore del dissipamento ; in fase di relax post gara, il corpo rilascia all’ambiente questo accumulo.

 

ED = Dissipazione legata all’evaporazione della pelle, avviene quando una massa d’acqua evapora sulla pelle richiedendo il calore latente di vaporizzazione.

 

Es = Dissipazione legata alla sudorazione della pelle, fenomeno di diffusione del sudore sulla pelle liquida ; il caso precedente riguardava la pelle asciutta.

 

ER = Evaporazione dei polmoni, quando respiriamo aria secca ed espiriamo aria umida, perdiamo il calore latente di vaporizzazione ; questa energia ha a che fare con il cambiamento di stato da liquido a vapore. Quando l’ambiente in cui siamo è saturo di vapore, ossia non è più in grado di riceverne, il nostro organismo ne risente perdendo ancora vapore d’acqua  senza raffreddarsi.

 

VS = Ventilazione polmonare, perdita di calore sensibile.

 

K = Calore disperso in aria dalla pelle.      Q = MV ´ CPA ´ ( TEST - TINT  )         

 

Gli indumenti presentano una resistenza termica, , che viene solitamente espressa mediante una grandezza adimensionale, indice di abbigliamento, data da :

 

ICL = RCL / 0.18   (5),  espressa in un’unità di misura detta clo. Alcuni valori di tale indice sono riportati nella seguente tabella ;

 

 

TABELLA 2 : Indice e fattore d’abbigliamento per diverse combinazioni di indumenti.

 

 

ABBIGLIAMENTO

Icl (clo)

fcl

Nudi

0

1,00

pantaloni corti

0,1

1,00

Tipica tenuta tropicale

0,3 - 0,4

1,05

Tenuta maschile estiva

0,5

1,10

Tenuta da lavoro leggera

0,6

1,10

Tenuta militare da fatica

0,7

1,10

Vestito maschile

1

1,15

Vestito maschile + impermeabile di cotone

1,5

1,15

Tenuta sportiva

0,9

1,15

Vestito maschile pesante

1,5

1,15 - 1,20

Vestito maschile pesante + cappotto

2

1,30

Tenuta polare

3,0 - 4,0

1,3 - 1,5

Tenuta femminile invernale

1

1,10

Tenuta femminile estiva

0,8

1,05

 

 

K = R + C 

 

ove, R è l’Irraggiamento, ossia quel particolare scambio termico che le superfici emettono sotto forma di radiazioni elettro - magnetiche. La potenza dell’irraggiamento è maggiore di quella emessa dal corpo umano.

C, è lo scambio termico fra gas ossia la Convezione.

 

Fanger ha trovato che i valori che le due grandezze da cui dipendono le sensazioni di caldo o freddo, tS e ESW , devono assumere per dare una sensazione di benessere sono funzione dell’attività, ovvero della grandezza H/ADU :

 

tS = 35.7 - 0.032 H/ADU                    (6)

 

ESW = 0.42 ADU (H/ADU - 50)            (7)

 

Se inseriamo nell’equazione di bilancio energetica, i valori di tS e ESW che corrispondono al benessere, otterremo una soluzione in cui S, chiamata Sollecitazione Termica, rappresenta la quantità di calore che il corpo perderebbe o guadagnerebbe nell’unità di tempo, non riuscendo quindi ad assicurare il mantenimento della sua temperatura interna, qualora fossero inibiti i meccanismi di autoregolazione. Si capisce facilmente che tanto è grande a soluzione S, tanto più la condizione considerata risulterà lontana dal benessere ottimale, che si avrebbe per S=0.

 

La qualità termica di un ambiente può essere espressa con un voto secondo la seguente scala :

 

-3 .....................FREDDO

-2......................FRESCO

-1......................LEGGERMENTE FRESCO

 0......................NEUTRO

+1.....................LEGGERMENTE CALDO

+2.....................CALDO

+3.....................MOLTO CALDO

 

 

 

VOTO MEDIO PREVISTO

 

Definiamo voto medio previsto (VMP), la media dei voti che un campione rappresentativo di persone esprimerebbe, utilizzando tale scala, per giudicare la confortevolezza di un’ambiente.

Fanger ha individuato una correlazione tra il VMP e la sollecitazione termica, S, definita in precedenza, espressa dalla :

 

VMP = (0.352 e -0.042 M/ADU + 0.032) S            (8)

 

 

In altri termini, immettendo nell’equazione di equilibrio i valori delle variabili operative ed ambientali non corrispondenti a condizioni di benessere, si ricava il valore del termine S, da cui si ricava, il VMP, ovvero una stima di come le persone giudicherebbero quell’ambiente in quelle condizioni di attività e abbigliamento.

Le tabelle seguenti mostrano valori di VMP per diverse combinazioni di valori delle variabili ambientali ed operative. I valori riportati sono stati calcolati usando la procedura suggerita da Fanger, fissando il valore dell’umidità relativa al 50%. Le aree campite indicano condizioni accettabili, cioè con VMP compreso tra -0.5 e +0.5. (Fonte : ISO 7730-1984).

 

 

 

 

 

VOTO MEDIO PREVISTO

Livello di attività : 58 W/ m2 ( 1 met) - Umidità relativa : 50%

 

 

Icl ( clo )

T (°C)

Va (m/s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<0,10

0,1

0,15

0,2

0,3

0,4

0,5

1

0

26

-1,62

-1,62

-1,96

-2,34

 

 

 

 

 

27

-1

-1

-1,36

-1,69

 

 

 

 

 

28

-0,39

-0,42

-0,76

-1,05

 

 

 

 

 

29

0,21

0,13

-0,15

-0,39

 

 

 

 

 

30

0,8

0,68

0,45

0,26

 

 

 

 

 

31

1,39

1,25

1,08

0,94

 

 

 

 

 

32

1,96

1,83

1,71

1,61

 

 

 

 

 

33

2,5

2,41

2,34

2,29

 

 

 

 

0,25

24

-1,52

-1,52

-1,8

-2,06

-2,47

 

 

 

 

25

-1,05

-1,05

-1,33

-1,57

-1,94

-2,24

-2,48

 

 

26

-0,58

-0,61

-0,87

-1,08

-1,41

-1,67

-1,89

-2,26

 

27

-0,12

-0,17

-0,4

-0,58

-0,87

-1,1

-1,29

-1,97

 

28

0,34

0,27

0,07

-0,09

-0,34

-0,53

-0,7

-1,28

 

29

0,8

0,71

0,54

0,41

0,2

0,04

-0,1

-0,58

 

30

1,25

1,15

1,02

0,91

0,74

0,61

0,5

0,11

 

31

1,71

1,61

1,51

1,43

1,3

1,2

1,12

0,83

0,5

23

-1,1

-1,1

-1,33

-1,51

-1,78

-1,99

-2,16

 

 

24

-0,72

-0,74

-0,95

-1,11

-1,36

-1,55

-1,7

-2,22

 

25

-0,34

-0,38

-0,56

-0,71

-0,94

-1,11

-1,25

-1,71

 

26

0,04

-0,01

-0,18

-0,31

-0,51

-0,66

-0,79

-1,19

 

27

0,42

0,35

0,2

0,09

-0,08

-0,22

-0,33

-0,68

 

28

0,8

0,72

0,59

0,49

0,34

0,23

0,14

-0,17

 

29

1,17

1,08

0,98

0,9

0,77

0,68

0,6

0,34

 

30

1,54

1,45

1,37

1,3

1,2

1,13

1,06

0,86

0,75

21

-1,11

-1,11

-1,3

-1,44

-1,66

-1,82

-1,95

-2,36

 

22

-0,79

-0,81

-0,98

-1,11

-1,31

-1,46

-1,58

-1,95

 

23

-0,47

-0,5

-0,66

-0,78

-0,96

-1,09

-1,2

-1,55

 

24

-0,15

-0,19

-0,33

-0,44

-0,61

-0,73

-0,83

-1,14

 

25

0,17

0,12

-0,01

-0,11

-0,26

-0,37

-0,46

-0,74

 

26

0,49

0,43

0,31

0,23

0,09

0

-0,08

-0,33

 

27

0,81

0,74

0,64

0,56

0,45

0,36

0,29

0,08

 

28

1,12

1,05

0,96

0,9

0,8

0,73

0,67

0,48

1

20

-0,85

-0,87

-1,02

-1,13

-1,29

-1,41

-1,51

-0,181

 

21

-0,57

-0,6

-0,74

-0,84

-0,99

-1,11

-1,19

-1,47

 

22

-0,3

-0,33

-0,46

-0,55

-0,69

-0,8

-0,88

-1,13

 

23

-0,02

-0,07

-0,18

-0,27

-0,39

-0,49

-0,56

-0,79

 

24

0,26

0,2

0,1

0,02

-0,09

-0,18

-0,25

-0,46

 

25

0,53

0,48

0,38

0,31

0,21

0,13

0,07

-0,12

 

26

0,81

0,75

0,66

0,6

0,51

0,44

0,39

0,22

 

27

1,08

1,02

0,95

0,89

0,81

0,75

0,71

0,56

1,5

14

-1,36

-1,36

-1,49

-1,58

-1,72

-1,82

-1,89

-2,12

 

16

-0,94

-0,95

-1,07

-1,15

-1,27

-1,36

-1,43

-1,63

 

18

-0,52

-0,54

-0,64

-0,72

-0,82

-0,9

-0,96

-1,14

 

20

-0,09

-0,13

-0,22

-0,28

-0,37

-0,44

-0,49

-0,65

 

22

0,35

0,3

0,23

0,18

0,1

0,04

0

-0,14

 

24

0,79

0,74

0,68

0,63

0,57

0,52

0,49

0,37

 

26

1,23

1,18

1,13

1,09

1,04

1,01

0,98

0,89

 

28

1,67

1,62

1,58

1,56

1,52

1,49

1,47

1,4

 

 

<0,10

0,1

0,15

0,2

0,3

0,4

0,5

1

Icl ( clo )

T (°C)

Va (m/s)