IL CORPO UMANO E IL BENESSERE TERMOIGROMETRICO

Capitolo I

IL CORPO UMANO E

IL BENESSERE TERMOIGROMETRICO

1.1 Introduzione

Il livello di qualità della vita si sta avviando verso standard sempre più elevati , pertanto richiede la definizione estremamente puntuale dei requisiti microclimatici atti a garantire , negli spazi in cui l’uomo vive e lavora , condizioni di benessere termoigrometrico sia globale sia locale . La sensazione di benessere è strettamente legata alla produzione di calore metabolico , allo scambio di energia con l’ambiente ed alle conseguenti variazioni fisiologiche e di temperatura del corpo . Nel campo degli ambienti moderati le Norme Internazionali ASHRAE Standard 55/1992 [1] e ISO 7730/1994 [2] forniscono i limiti e le raccomandazioni a cui attenersi affinché si ottengano le condizioni di benessere . La UNI EN ISO 7730 , relativa alle condizioni di benessere termoigrometrico in ambienti termici moderati , si basa su un modello statico che vede gli occupanti di un ambiente come soggetti passivi di scambio termico . Negli ultimi anni si stanno sviluppando modelli adattivi , nei quali l’occupante di un edificio interagisce a tutti i livelli con l’ambiente , attraverso azioni che gli consentono di creare le condizioni per il raggiungimento della soddisfazione dei confronti del microclima , attuando un processo di adattamento che consiste in una graduale diminuzione delle reazioni individuali agli stimoli ambientali . L’introduzione della ISO-DIS 7730/2003 [3] , revisione della normativa vigente , suggerisce di suddividere gli ambienti termici in più categorie , distinguendo più condizioni limite di accettabilità . Tuttavia , poiché nessuno dei modelli adattivi proposti in letteratura ha trovato conferme e consensi , la revisione si occupa dell’adattamento solo in modo generico ed informativo . Numerosi studi e ricerche sono pertanto attualmente in corso , a supporto dei modelli adattivi , al fine di poter tradurre in indici quantitativi le azioni che il soggetto può mettere in atto per migliorare le proprie condizioni di comfort .

1.2 La termoregolazione del corpo umano

Il corpo umano trasforma l’energia potenziale chimica contenuta in cibi e bevande in altre forme di energia , con forte prevalenza di quella termica . Tali trasformazioni costituiscono il metabolismo , un processo di trasformazione di natura esoenergetica . Il metabolismo può essere definito come quantità di energia chimica su unità di tempo trasformata in potenza termica e lavoro per unità di tempo , ed essere espresso in watt . Nel caso in cui la quantità di energia metabolica non sia uguale a quella ceduta all’ambiente sotto forma di energia termica o lavoro , allora risulterebbe un accumulo ( se maggiore ) , o una perdita ( se minore ) di energia del corpo , con conseguente aumento o diminuzione della temperatura corporea . La funzione di mantenere quasi isotermo il nucleo del corpo , a una temperatura di circa 37 °C , è delegata al sistema di termoregolazione . Il corpo umano può considerarsi composto di due zone caratterizzate da temperature diverse : un esterna , la pelle , e una interna che comprende gli organi vitali . Mentre la temperatura della zona interna è costantemente pari a 37 °C circa , la temperatura della zona esterna che viene definita temperatura della pelle , può ammettere oscillazioni più ampie entro valori limite . Nel sistema di termoregolazione , i recettori termici sono dei veri e propri sensori che reagiscono sia alle basse , sia alle alte temperature secondo meccanismi differenti ; i recettori sono terminazioni nervose che inviano segnali alla regione del cervello responsabile della termoregolazione , chiamata ipotalamo . Affinché si possa mantenere l’omeotermia del corpo esistono due tipi di termoregolazione :

• vasomotoria . • comportamentale .

L’energia termica generata all’interno del corpo umano viene dispersa nell’ambiente essenzialmente attraverso la pelle , sia per convezione e irraggiamento ( dovute a una differenza di temperatura tra pelle e aria circostante il corpo , e pelle e temperatura media radiante delle pareti che circondano il corpo ) sia per evaporazione . La termoregolazione vasomotoria interessa i capillari superficiali : questi , aprendosi ( vasodilatazione in ambienti più caldi ) o chiudendosi ( vasocostrizione in ambienti più freddi ) , incrementano o impediscono l’afflusso di sangue . Altri meccanismi sono attuati per assicurare l’omeotermia del corpo in caso di freddo : il brivido , cioè

l’attivazione di alcuni gruppi muscolari , comporta un aumento del metabolismo senza la cessione di energia meccanica all’ambiente ; in casa di caldo : la sudorazione ricopre la pelle di un sottile film di soluzione acquosa che in parte si trasforma in vapore nell’aria , sottraendo calore alla superficie del corpo umano .

Figura 1.1 - Schema a blocchi del sistema di termoregolazione dell’uomo .

1.3 Il metabolismo del corpo umano

Il metabolismo è costituito da innumerevoli trasformazioni chimiche che risiedono nel corpo umano . I processi metabolici sono processi di ossidazione che risultano , come sopra , esoenergetici ; l’energia potenziale chimica degli alimenti si trasforma :

• in energia termica ;

• in energia elettrica ( impulsi nervosi ) ; • in energia meccanica ( attività muscolare ) ; • in energia potenziale chimica .

L’energia meccanica , quella elettrica e quella chimica si trasformano poi comunque in energia termica . Quest’ultima viene quindi dispersa nell’ambiente circostante , o sotto forma di lavoro meccanico , o di calore dissipato .

Gruppi muscolari Termorecettori Stimoli Vasocostrizione Vasodilatazione Capillari periferici Ghiandole sudorifere _Sudore Brivido _Omeotermia Ipotalamo

Figura 1.2 -Schema a blocchi delle trasformazioni energetiche nell’organismo .

1.4 Il corpo umano come macchina termica e benessere termoigrometrico

Il corpo umano è quindi assimilabile ad una macchina che scambia con l’esterno : in condizione di omeotermia , l’energia prodotta da un individuo deve essere pari all’energia scambiata con l’ambiente sotto forma di calore o lavoro . E’ quindi possibile effettuare il seguente bilancio :

M dt dG

N = + ( 1.1 )

dove “ N ” è l’apporto di energia chimica che si introduce con il cibo , “ M ” è il calore che viene prodotto ( Flusso Metabolico ) è “ dG/dt ” è l’accumulo . E’ noto che il flusso metabolico è derivabile tramite la seguente relazione :

b

M L Q

M = + + ( 1.2 ) dove “ Q ” è la potenza scambiata per effettuare attività non basali che non comprendono lavoro verso l’esterno ( come ad esempio le attività cerebrali ) , “ L ” è il

lavoro scambiato con l’esterno e “ Mb ” è il metabolismo basale . Si giunge alla

conclusione che la temperatura del corpo umano dipende dalla differenza tra la potenza prodotta e quella scambiata con l’esterno :

dt dT C Q

Q_PRODOTTO − _CEDUTO = ⋅ ( 1.3 )

Per avere condizioni di benessere termoigrometrico tale differenza deve essere pari a zero . Lavoro Metabolismo Energia elettrica Energia termica Alimenti Energia chimica Energia meccanica Lavoro Lavoro

1.5 Il corpo umano come macchina termica

I modi in cui il corpo umano scambia calore con l’esterno sono molteplici e si possono dividere in “ scambio sensibile ” e “ scambio latente ” . Si riporta in seguito uno schema esemplificativo di tali modalità :

Figura 1.3 – Modalità di scambio di calore tra corpo umano e ambiente .

Seguendo la logica della precedente suddivisione si ha :

Scambio latente :

Si può effettuare una ulteriore suddivisione tra flusso termico ceduto dal corpo per convezione e flusso termico ceduto per irraggiamento . Nel primo caso la potenza termica , in watt , scambiata con l’ambiente ( °C ) può essere espressa con la relazione :

(

)

corpo conduttivo

convettivo S T T

Q =α ⋅ ⋅ − ( 1.4 )

Convezione Aria (Taria)

SENSIBILE Scambi polmonari ( respirazione ) Irraggiamento Oggetti ( T 4media radiante ) SENSIBILE Evaporazione ( Qev ) LATENTE Sole (ws) Conduzione (Τp)

( E’ in genere trascurabile ) SENSIBILE

Dipende dalla velocità dell’aria Aumenta con la presenza di abiti : Scorpo = fv⋅ Scorpo-nudo

Se il corpo è vestito si assume la media tra “ Tpelle” e “ Tvestiario”

Per quanto riguarda il flusso termico ceduto per irraggiamento si fa l’ipotesi che il corpo umano sia un corpo grigio contenuto all’interno di una cavità ( che in realtà è l’ambiente ) assimilabile ad un corpo nero :

Figura 1.4 – Modello di corpo grigio ( uomo ) all’interno di una cavità assimilabile ad un corpo nero ( ambiente ) .

Il concetto di base è quello di sfruttare l’analogia elettrica per ottenere una relazione che leghi il flusso termico scambiato ai parametri del corpo umano e dell’ambiente . In generale il calore scambiato per irraggiamento e dato da :

(

)

i

i A I J

Q& = ⋅ − ( 1.5 )

Figura 1.5 – Radiazione incidente ed uscente su una superficie infinitesima “ dA ” . n i’λ dA I J P

Ambiente ( Corpo Nero ) Uomo

( Corpo Grigio)

Energia per unità di tempo che arriva sull’ i-esimo corpo . Radiosità

i I =π ⋅

Radiazione uscente dalla semisfera che la contiene .

Si effettua la seguente scomposizione : ) ( ) (EMISSIONE i RIFLESSIONE i i_λ = _λ + _λ ( 1.7 ) dalla quale integrando si ottienine :

(

)

T

I =∈⋅σ ⋅ 4 + −∈ ⋅

( 1.8 ) che porta all’analogia elettrica :

[

]

[

]

Si ottiene così per un nodo generico :

Figura 1.6 – Risultato dell’analogia elettrica per un nodo generico .

Nel caso specifico del corpo umano rispetto all’ambiente si ha lo schema della figura seguente :

Figura 1.7 – Risultato dell’analogia elettrica per il caso specifico di scambio tra uomo ed ambiente . Q1 σ ⋅ T14 1 1 1 1 ε ε ⋅ − A _{termine e} Questo dovuto al fatto che il corpo non e nero

Ambiente ( Corpo Nero ) Uomo σ ⋅ Tmr4 σ ⋅ Tp4 mr p F A1⋅ − 1 p p p A ε ε ⋅ − 1

Nel caso in esame è possibile “ linearizzare ” la formula come segue :

(

)

corpo nto irraggiame nto irraggiame S T T Q =α ⋅ ⋅ ₋ − ( 1.10 )

dove “ Fi ” sono i fattori di vista . Si possono unire le due precedenti relazioni ed

ottenere lo scambio sensibile totale :

(

)

(

)

corpo nto irraggiame

s S T T S T T

Q =α ⋅ ⋅ ₋ − +α ⋅ ⋅ − ( 1.11 )

(

)

(

)

s S T T Q = α +α ⋅ ⋅ − ( 1.12 ) dove :

(

)

(

)

La temperatura appena definita è detta “ Temperatura Operante ” e si tratta di una temperatura media pesata della temperatura dell’aria e delle pareti pesate sui rispettivi “

αconduttivo ” e “ αirraggiamento ” . In certi casi si tiene anche conto anche dell’irraggiamento solare diretto :

(

)

(

)

s S T T a S w

Q = α +α ⋅ ⋅ − + ⋅ ' ⋅ ( 1.14 )

(

)

(

)

s S T T Q = α +α ⋅ ⋅ * − _{( 1.15 )} dove : pelle incidenza d conduttivo nto irraggiame incidente o o S S w a T T* ⋅ ' + ⋅ + = α α ( 1.16 ) Scambio latente :

Anche in questo caso si effettua una suddivisione tra flusso termico ceduto dal corpo per evaporazione cutanea e flusso termico dovuto alla sudorazione . Il primo contributo è dovuto alla traspirazione ( fenomeno di diffusione del vapore d’acqua attraverso la pelle verso l’ambiente ) ed è calcolabile per mezzo della seguente relazione :

Coeff. di assorbimento . i n i i radiante media F T T =

∑

(

)

mentre il secondo è dovuto alla sudorazione ( la secrezione da parte delle ghiandole sudoripare , controllate dall’ipotalamo , di una soluzione acquosa di cloruro di sodio che , attraverso i pori , raggiunge la superficie esterna della pelle ) ed è dato da :

(

)

È definito come lo stato psicofisico in cui il soggetto esprime soddisfazione nei riguardi del microclima , oppure la condizione in cui il soggetto non sente alcuna sensazione di caldo o freddo ( condizione di neutralità termica ) . Si utilizza il comfort termico globale per studiare il comportamento del corpo nel suo complesso , mentre invece si utilizza il comfort termico locale per studiare il comportamento di specifiche zone del corpo . Affinché venga assicurato il comfort termico globale è necessario che l’energia interna del corpo umano rimanga in condizione di equilibrio ; quindi , nell’equazione che esprime il bilancio termico del corpo , il termine che esprime l’accumulo dovrà essere nullo . Al fine di valutare l’influenza di un presunto scostamento delle condizioni che realmente sono riscontrate in un ambiente con quelle di comfort globale , sono utilizzabili i cosiddetti indici di discomfort globale ( per discomfort si intende una qualsiasi situazione di disagio che provoca condizioni di malessere psico-fisico ) , studiati appositamente per fornire lo stesso valore per tutte le combinazioni delle variabili che danno uguali sensazioni termiche . Gli indici di disconfort sono divisi in due categorie : quelli di sensazione e quelli di temperatura . Attualmente il metodo più

Coefficiente di vestiario Permeabilità della pelle

Calore di evaporazione

Compreso tra “ 0 ” e “ Tp ”

Coefficiente di trasporto di massa Calore di evaporazione

nel far dare un voto sulle condizioni di benessere ad un gruppo di persone in funzione di vari parametri :

(

)

VMP = _{ambiente media−radiante} ϕ _{aria i} ( 1.19 ) La valutazione viene data in base alla scala seguente :

SENSAZIONE VOTO Molto Caldo + 3 Caldo + 2 Leggermente Caldo + 1 Benessere 0 Leggermente Freddo - 1 Freddo - 2 Molto Freddo - 3

Tabella 1.1 – Scala ASHRAE ( American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers ) per la misura della sensazione termica .

In base alle statistiche che si possono ottenere dalla prova effettuata si ottiene una curva dalla quale si estrae la temperatura di progetto , ossia la temperatura alla quale è minima la percentuale delle persone insoddisfatte .

Figura 1.8 – Grafico dal quale si ricava la temperatura di progetto ( minima percentuale di persone insoddisfatte ) .

Per garantire il comfort e determinare le condizioni di progetto si può anche cercare di trovare una temperature equivalente ( al variare di temperatura , velocità dell’aria e

+ 0.5 - 0.5 0 5 % 10 % P.M.V. P.P.D. Zona di comfort ( Parametri di progetto )

umidità relativa ) alla quale le persone sono in condizioni di benessere : per fere questo si possono usare due camere nelle quali è possibile modificare alcune variabili :

Figura 1.9 – Modalità e parametri per il calcolo della temperatura equivalente .

Viene fatta variare “ Ta ” finché le persone presenti nella camera di riferimento non

sostengono di essere nelle stesse condizioni della camera di misura . La temperatura equivalente è , quindi , data da queste temperature della camera di riferimento ed è funzione delle tre variabili menzionate :

(

)

e

equivalent f V T

T = ( 1.20 ) Questo ha portato alla determinazione della temperatura effettiva con il metodo americano ASHRAE o metodo CARRIER . L’indice di temperatura è basato sul concetto di temperatura equivalente, comunemente chiamato temperatura effettiva ET ( alla base della norma ASHRAE 55/92 ) .

La persona esprime un giudizio rispetto alla stanza precedente

Camera di riferimento Camera di misura

La persona viene fatta accomodare ed acclimatare qui dentro

Costanti Varia = 0 m/s

ϕ = 100 %

Variabile Taria = Tmedia radiante

Variabili Varia

ϕ Taria = Tmedia radiante