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Comfort termico

Il microclima è l’insieme degli aspetti fisici che caratterizzano l’aria degli ambienti confinati.

Un microclima confortevole suscita nella maggior parte degli individui una sensazione di soddisfazione per l’ambiente termico, detta benessere termo-igrometrico o comfort termico. Nello stato di benessere termico il soggetto non avverte sensazioni né di caldo né di freddo; il comfort termico è quindi definito come condizione mentale di soddisfazione nei riguardi dell’ambiente termico.

Le condizioni microclimatiche rappresentano un importante fattore ergonomico da tenere sotto controllo, perché possono arrecare un notevole disagio ai lavoratori. La maggior parte della popolazione trascorre infatti molto tempo all’interno di edifici chiusi, lamentando spesso disagi riferibili agli aspetti microclimatici dei locali ove svolge la propria attività.

Il complesso delle variabili microclimatiche condiziona lo scambio termico dell’uomo con l’ambiente e influenza la percezione dell’ambiente termico da parte degli occupanti. I principali fattori fisici che determinano il microclima sono la temperatura, l’umidità relativa, la temperatura radiante e la velocità dell’aria, mentre importanti variabili individuali o soggettive sono il metabolismo, il vestiario indossato e il tipo di attività svolta.

Il benessere termico comprende condizioni di comfort globale, cioè di tutto l’organismo, e comfort di tipo locale, relativo a specifiche parti del corpo. Il comfort termico globale è legato al mantenimento di condizioni di neutralità termica del corpo attraverso la risposta fisiologica del sistema di termoregolazione, che mantiene costante la temperatura del nucleo corporeo. Il comfort locale è invece legato agli scambi termici localizzati in alcune aree superficiali del corpo. Nella situazione ottimale non c’è alcuna causa che induca sensazioni di discomfort, in nessuna parte del corpo.

Le condizioni microclimatiche possono costituire un rischio per la salute e influenzano la sensazione di benessere. Per tutelare la salute e la sicurezza dei lavoratori occorre misurare lo scostamento delle condizioni microclimatiche reali da quelle di benessere: il datore di lavoro deve provvedere a mantenere il microclima degli ambienti di lavoro in condizioni prossime a quelle di benessere.

 

Il comfort termico dipende da specifiche grandezze sia di natura oggettiva sia soggettiva.

Le prime, anche conosciute come grandezze termo-igrometriche, sono costituite dalla velocità dell’aria (Va), dall’umidità relativa (Ur, espressa in %), dalla temperatura dell’aria (Ta) e dalla temperatura media radiante (Tr), cioè la temperatura media delle superfici presenti nell’ambiente, incluso l’effetto prodotto dall’irraggiamento solare. In particolare le ultime due grandezze sono in grado di influenzare la sensazione termica agendo direttamente sulla cute e attivando in tal modo gli organi sensori. L’umidità relativa condiziona il tasso di evaporazione dell’acqua sia a livello cutaneo, influenzando l’entità della sudorazione, sia a livello degli alveoli polmonari, durante le fasi della respirazione. La velocità dell’aria infine favorisce la perdita di calore.

Tali grandezze sono in grado di modificare in modo sostanziale la percezione dell’ambiente termico da parte degli occupanti e quindi sul loro controllo devono indirizzarsi le strategie tese al miglioramento del comfort termico.

Le variabili soggettive che, insieme alle grandezze termo-igrometriche, influenzano gli scambi termici dell’organismo con l’ambiente sono rappresentate da:

  • il metabolismo dell’organismo (dispendio metabolico: M)
  • l’abbigliamento indossato (isolamento termico del vestiario: Icl)
  • la percentuale di energia metabolica impiegata per l’esecuzione di operazioni fisiche (rendimento meccanico: η, espresso in %).

Il tasso o dispendio metabolico M, uno dei parametri fondamentali per valutare l’effetto del microclima sul benessere termico, può essere calcolato sia con metodi diretti, misurando ad esempio il quantitativo di ossigeno consumato dal soggetto, sia con metodi indiretti, utilizzando dati contenuti in apposite tabelle di riferimento. I metodi di tipo indiretto sono più semplici da applicare ma presentano un maggior margine di imprecisione, che richiede esperienza da parte di chi effettua la valutazione.

Per stimare il valore dell’isolamento termico Icl offerto dal vestiario, si utilizzano le tabelle della norma UNI EN ISO 9920:2009, che fornisce sia valori di resistenza termica dei singoli indumenti quotidiani o da lavoro, sia quelli relativi ad uno specifico insieme di capi di abbigliamento.

Durante l’attività lavorativa gran parte dell’energia metabolica viene trasformata in calore, mentre solo in minima parte viene convertita in energia meccanica (lavoro utile). Quindi nella maggior parte delle lavorazioni il rendimento meccanico η può essere ritenuto inferiore al 5 %.

Per valutare il grado di discomfort all’interno degli ambienti di lavoro è necessario determinare con precisione i valori di tutte le grandezze microclimatiche (oggettive e soggettive); la loro corretta determinazione è fondamentale per ottenere risultati che descrivano correttamente il rischio legato al microclima.

Gli ambienti termici si suddividono convenzionalmente in ambienti severi (caldi o freddi) e in ambienti moderati.

Negli ambienti termici severi le condizioni microclimatiche possono compromettere gravemente la salute dei lavoratori.

Gli ambienti moderati caratterizzano in genere gli uffici e non comportano rischio di stress termico perché mancano importanti scambi termici fra soggetto e ambiente; le condizioni microclimatiche sono omogenee e poco variabili, l’attività fisica svolta è modesta e il vestiario indossato è piuttosto uniforme.

Questo tipo di ambienti termici non compromette l’incolumità dei lavoratori, ma può essere fonte di disagio e alterarne il benessere psico-fisico con riduzione della performance lavorativa.

In questi ambienti la misura delle condizioni microclimatiche si effettua per valutare gli indici di comfort termico, tuttavia non esistono riferimenti di legge che obbligano al rispetto di determinati valori di tali indici. In mancanza di limiti di legge si fa riferimento alla normativa tecnica nazionale ed internazionale.

La principale norma tecnica di riferimento per gli ambienti moderati è la UNI EN ISO 7730:2006 (Ergonomia degli ambienti termici – Determinazione analitica e interpretazione del benessere termico mediante il calcolo degli indici Pmv e Ppd e dei criteri di benessere termico locale).

Secondo tale norma, gli ambienti moderati sono caratterizzati da variabili oggettive comprese entro un ristretto intervallo:

  • temperatura dell’aria (ta) tra 10 e 30 °C;
  • temperatura media radiante (tr) tra 10 e 40 °C;
  • umidità relativa (ur) tra 30 e 70 %;
  • velocità dell’aria (va) tra 0 e 1 m/s.

In particolare per velocità inferiori a 0,05 m/s l’aria diventa stagnante e non c’è il ricambio prescritto dal D.lgs 81/2008.

Il d.lgs. 81/2008 obbliga il datore di lavoro alla valutazione di tutti i rischi presenti nei luoghi di lavoro, compresi quelli legati alle condizioni microclimatiche, e nell’allegato IV fornisce indicazioni di massima riguardo l’adeguatezza dell’aerazione, della temperatura e dell’umidità degli ambienti di lavoro, ma non fornisce indicazioni di tipo quantitativo sui valori dei parametri microclimatici da rispettare. Il Decreto infatti non prescrive specifici valori limite, ma raccomanda di effettuare la valutazione considerando il tipo di attività svolta dal lavoratore.

Per gli ambienti termici moderati, poiché lo stress indotto dalle condizioni termo-igrometriche è ridotto per assenza di importanti scambi termici fra soggetto e ambiente, occorre valutare lo scostamento esistente tra le condizioni microclimatiche reali (misurate) e quelle standard di benessere, mediante il calcolo di specifici indici di comfort termico, funzione delle variabili oggettive e soggettive.

Riferimenti normativi specifici per la valutazione del comfort microclimatico in ambienti termici moderati sono costituiti dalle seguenti norme tecniche:

  • UNI EN ISO 7726:2002 Ergonomia degli ambienti termici - Strumenti per la misurazione delle grandezze fisiche
  • UNI EN ISO 7730:2006 Ergonomia degli ambienti termici - Determinazione analitica e interpretazione del benessere termico mediante il calcolo degli indici PMV e PPD e dei criteri di benessere termico locale
  • UNI EN ISO 8996:2005 Ergonomia dell’ambiente termico - Determinazione del metabolismo energetico
  • UNI EN ISO 9920:2009 Ergonomia dell’ambiente termico - Valutazione dell’isolamento termico e della resistenza evaporativa dell’abbigliamento
  • UNI EN ISO 10551:2002 Ergonomia degli ambienti termici - Valutazione dell’influenza dell’ambiente termico mediante scale di giudizio soggettivo
  • UNI EN ISO 11399:2001 Ergonomia degli ambienti termici - Principi e applicazione delle relative norme internazionali
  • UNI EN ISO 13731:2004 Ergonomia degli ambienti termici - Vocabolario e simboli
  • UNI EN ISO 14505-2:2007 Ergonomia degli ambienti termici - Valutazione dell’ambiente termico nei veicoli - Parte 2: Determinazione della temperatura equivalente
  • UNI EN ISO 14505-3:2006 Ergonomia degli ambienti termici - Valutazione dell’ambiente termico nei veicoli - Parte 3: Valutazione del benessere termico mediante l’utilizzo di soggetti umani.

Il riferimento tecnico principale è costituito dalla norma UNI EN ISO 7730:2006: essa si basa sia sul valore assunto dalla temperatura operativa To (media aritmetica della temperatura dell’aria e della temperatura media radiante), sia sugli indici di Fanger.

La temperatura operativa è indice della sensazione di caldo o di freddo. Gli indici elaborati dal danese Fanger, invece, sono basati sull’equazione del bilancio termico dell’organismo che considera sia i dati analitici derivati dai parametri ambientali misurati e dall’attività svolta dal soggetto, sia valutazioni di tipo psicofisiologico: si tratta dell’indice PMV (Voto Medio Previsto), funzione del dispendio metabolico e del carico termico agente sul soggetto e dell’indice PPD (Percentuale Prevedibile di Insoddisfatti), fra loro correlati.

Per garantire il comfort termico la norma raccomanda che il PPD risulti inferiore al 10 %, cioè che non più del 10 % dei soggetti consideri l’ambiente termico come insoddisfacente. Tale condizione corrisponde ad un valore di PMV compreso tra -0,5 e +0,5. Ambienti contraddistinti da valori di PMV superiori a +0,5 sono percepiti come troppo caldi dagli occupanti, mentre ambienti in cui il PMV è inferiore a -0,5 come troppo freddi. Anche in condizioni ottimali esiste sempre una piccola percentuale di soggetti che valuta l’ambiente termico come insoddisfacente.

Tali indici consentono di valutare le condizioni di comfort per un soggetto che si trovi in un ambiente confinato e sono utilizzabili soltanto per la valutazione del comfort globale, tuttavia la norma UNI EN ISO 7730 fornisce indicazioni per valutare anche il disagio dovuto alle variazioni spaziali o locali di una o più grandezze microclimatiche. In particolare occorre valutare anche il discomfort localizzato legato ai seguenti fattori di disagio locale:

  • correnti d’aria, che provocano raffreddamento convettivo del corpo;
  • differenze di temperatura eccessive fra testa e caviglie (gradienti verticali di temperatura);
  • asimmetrie radianti;
  • temperatura del pavimento inadeguata;
  • fluttuazioni dei parametri termo-igrometrici nel tempo e/o nello spazio.

Negli ambienti termici moderati occorre valutare il grado di disagio legato alle condizioni microclimatiche perché questo incide sul benessere dei lavoratori e sulla performance lavorativa.

Per la rilevazione dei parametri ambientali si utilizza una centralina di acquisizione dati, dotata di memoria residente, alla quale vengono collegati specifici sensori in grado di misurare le varie grandezze microclimatiche.

La misura dei parametri microclimatici viene effettuata ponendo la centralina in prossimità delle varie postazioni di lavoro. Il numero di punti di misura per ottenere risultati significativi è legato alla complessità della mansione oggetto di valutazione, alle dimensioni dei vari reparti e alla disposizione dei macchinari di produzione. Per ciascun punto prescelto, tenendo conto delle modalità operative (lavoratore seduto o in piedi), è opportuno eseguire sessioni di misura distinte, con le sonde poste anche ad altezze differenti. La durata delle misure deve consentire di acquisire dati statisticamente rappresentativi delle condizioni microclimatiche dell’ambiente monitorato.

Per la misura della temperatura dell’aria in condizioni naturali (tn) si impiega una sonda termometrica a bulbo umido a ventilazione naturale, mentre per la misura dell’umidità relativa si utilizza una sonda psicrometrica conforme alla norma UNI EN ISO 7726:2002, con cui possono essere acquisite misure di temperatura dell’aria a bulbo secco (ta) e umido con ventilazione forzata (tw): la differenza tra i due valori misurati è proporzionale al tasso di umidità relativa (Ur %). La sonda psicrometrica consente di ottenere misure dell’umidità relativa (Ur %) di elevata precisione e costanti nel tempo, non essendo soggetta a derive tipiche di altri metodi.

Elaborando i dati rilevati dal globotermometro (semisfera in rame nero opaco conforme alla norma UNI EN ISO 7726:2002) si ricava la temperatura media radiante (tr), che è utile per lo studio microclimatico sia degli ambienti moderati sia degli ambienti severi caldi. Il globotermometro possiede un’inerzia termica propria e per ottenere valori di temperatura media radiante corrispondenti alla realtà è necessario attendere un intervallo non inferiore ai 20 minuti con la stazione microclimatica in postazione prima di avviare una nuova sessione di misura. Tale procedura deve essere seguita anche quando la misurazione è effettuata in un reparto diverso da quello analizzato in precedenza.

Il rilievo dei dati di velocità dell’aria (va) si esegue utilizzando un anemometro a filo caldo, utile anche per la misura della turbolenza dell’aria secondo la norma UNI EN ISO 7726:2002 e per valutare il discomfort localizzato dovuto a correnti d’aria.

Data la complessità del calcolo, l’elaborazione dei dati viene eseguita utilizzando un software dedicato, in genere fornito dal produttore della centralina di acquisizione dati, in grado di elaborare gli indici microclimatici, dopo aver inserito il valore delle grandezze soggettive (dispendio metabolico M, isolamento termico del vestiario Icl, rendimento meccanico η). Il valore dell’isolamento termico Icl si ricava utilizzando le informazioni fornite dal lavoratore sulla composizione del vestiario indossato durante la sessione di misura.

Per favorire il comfort termico è bene adottare strategie tecnico-progettuali già in fase di costruzione e/o ristrutturazione degli edifici, anche per migliorare l’uso delle risorse energetiche. La maggior parte della popolazione trascorre infatti circa il 90% della propria vita all’interno dell’ambiente costruito.

Per garantire un buon isolamento è indispensabile ridurre le dispersioni di calore, utilizzando materiali con elevata inerzia termica; occorre isolare le pareti verticali, le pareti vetrate e le coperture ed inserire impianti di condizionamento e riscaldamento ad elevata efficienza, possibilmente dotati di dispositivi di controllo in remoto della temperatura, cronotermostati e/o valvole termostatiche. E’ opportuno controllare la ventilazione naturale per impedire l’umidità, mediante adeguati sistemi di ricambio d’aria, come i serramenti apribili con bassa permeabilità all’aria.

Quindi è importante eseguire uno studio del funzionamento bioclimatico dell’edificio, con eventuale ripristino degli elementi di ventilazione non utilizzati; si può agire sul guadagno termico passivo attraverso la riflessione e la diffusione della luce e l’uso di tende in tessuto filtrante, veneziane microforate e pellicole.

Gli indici di comfort termico e i metodi per calcolarli sono stati elaborati dalla norma tecnica UNI EN 15251:2008 (Criteri per la progettazione dell’ambiente interno e per la valutazione della prestazione energetica degli edifici, in relazione alla qualità dell’aria interna, all’ambiente termico, all’illuminazione e all’acustica).

Secondo tale norma le temperature di comfort accettabili dipendono dal tipo di sistema usato per fornire il comfort. Se il raffrescamento è fornito con sistema attivo, le temperature interne devono rispettare il modello di Fanger. Se invece il comfort termico è mantenuto mediante strategie di raffrescamento passivo (senza apparecchi meccanici), i limiti di temperatura sono imposti dal modello adattativo, basato sul fatto che le persone sottoposte ad un carico termico tendono naturalmente ad adattarsi alle mutevoli condizioni dell’ambiente, definendo temperature maggiori e più flessibili rispetto al modello di Fanger.

La temperatura di comfort adattativa ottimale è definita come la temperatura per la quale è massimo il numero di persone soddisfatte e dipende dalla temperatura media esterna. Può essere raggiunta utilizzando strategie di raffrescamento passivo, come l’ombreggiamento delle finestre e la ventilazione notturna, senza necessità di raffrescamento meccanico.

Per migliorare l’efficienza energetica, garantendo ottimali condizioni di comfort interno e di qualità dell’aria, la costruzione degli edifici deve quindi integrarsi con le tecnologie bioclimatiche. Lo scopo dell'architettura bioclimatica è infatti il controllo del microclima interno, con impiego di strategie progettuali passive che, minimizzando l'uso di impianti meccanici, ottimizzano l'efficienza degli scambi termici tra edificio e ambiente.

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