Luce naturale e scuole

LA TERMOGRAFIA NELLA VALUTAZIONE DEL COMFORT
TERMICO IN AMBIENTI SCOLASTICI CON LA PARTECIPAZIONE
DEGLI STUDENTI
Antonella TUNDO ricercatrice
ENEA DTE SEN SCC
Dipartimento Tecnologie Energetiche - Divisione Smart
Energy
Laboratorio «Smart Cities & Communities»
Affidabilità e Tecnologie
10a edizione
Torino, 20-21 aprile 2016
Sessione specialistica «Manutenzione e processi : i
metodi termici per la caratterizzazione meccanica dei
materiali e della loro integrità»
LA TERMOGRAFIA NELLA VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO
IN AMBIENTI SCOLASTICI
CON LA PARTECIPAZIONE DEGLI STUDENTI
ENEA
DTE (Dipartimento Tecnologie Energetiche)
Divisione SEN (Smart City Energy )
Laboratorio SCC (Smart City and Community)
Attività in corso..
Progetto PAR D.7 “Smart community” d.2 “Smart school community”
sperimentazione su una scuola per l’anno 2015
PROGETTO Smart School and Community per il Liceo Scientifico Enrico Fermi - BARI
Ambito: Alternanza Scuola - Lavoro ( Lg 107-2015)
Insieme
Scala di sensazione termica (standard ASHRAE)
LA TERMOGRAFIA NELLA VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO
IN AMBIENTI SCOLASTICI
CON LA PARTECIPAZIONE DEGLI STUDENTI
I progetti ENEA «Smart Cities »
• Monitoraggio ambientale; monitoraggio energetico e diagnostica
remota di rete di edifici pubblici.
• Illuminazione e monitoraggio mobilità pubblica.
• Monitoraggio ambientale; monitoraggio energetico e diagnostica
remota di rete di edifici pubblici.
• Partecipazione attiva e sociale dei cittadini
•Smart Village alla sede ENEA di Casaccia (Roma)
•City 2.0, uno Smart Ring a L’ Aquila
•RES NOVAE, lo show room a Bari
•Networks Europei
VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO
IN UN AMBIENTE CONFINATO MODERATO
IL PMV (PREDICTED MEAN VOTE) E’ UN INDICE ADIMENSIONALE CHE DESCRIVE LE
CONDIZIONI DI COMFORT SULLA BASE DELLE VALUTAZIONI SOGGETTIVE DI UN
GRUPPO DI PERSONE IN UN DATO AMBIENTE (VALORE MEDIO)
IL PMV ESPRIME LA SENSAZIONE TERMICA ATTRAVERSO UNA SCALA A SETTE
PUNTI CHE VA DA -3 ( MOLTO FREDDO) A + 3 (MOLTO CALDO) ATTRAVERSO 0
(NEUTRALITA’ TERMICA)
ANCHE QUANDO PMV = 0, CI SARA’ COMUNQUE UNA PERCENTUALE DI
INSODDISFATTI (PREDICTED PERCENTAGE DISSATISFIED O PPD)
SCALA DELLA SENSAZIONE
TERMICA
3
2
1
0
-1
-2
-3
molto caldo
caldo
leggermente freddo
nè caldo nè freddo
leggermente freddo
freddo
molto freddo
Scala di sensazione termica (standard ASHRAE)
VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO
IN UN AMBIENTE CONFINATO MODERATO
Attivita’ metabolica in funzione delle diverse attivita’
Smart school community
ATTIVITA' METABOLICA
MET 1,2
1 MET = > 58, 15 W/M2 DI SUPERFICIE CORPOREA
SUPERFICIE CORPOREA ADULTO => 1,78 M2
RIFERIMENTO ALLA NORMA UNI EN 7730 (2006)
ALUNNO/A
DATA
GUIDARE AUTO
W/M2
46
58
70
70
80
MET
0,8
1
1,2
1,2
1,4
STARE IN PIEDI: attività leggera (shopping,
laboratorio..)
93
1,6
STARE IN PIEDI: attività media ( lavoro domestico,
commesso)
STARE IN PIEDI: lavare i piatti
95
100
110
116
145
1,6
1,7
1,9
2
2,5
LAVORO
DOMESTICO
pavimento, stirare)
170
2,9
200
360
405
550
3,4
6,2
7
9,5
ATTIVITA' SVOLTA
STARE DISTESI E RIPOSATI
STARE SEDUTI E RILASSATI
STARE IN PIEDI RILASSATI
Attivita' sedentaria (ufficio, scuola, lab)
STARE IN PIEDI RILASSATI.
INSEGNAMENTO
CURA QUOTIDIANA (BARBA, VESTIRSI, LAVARSI)
CAMMINARE IN PIANO (2 Km/h)
MET 9,5
PESANTE
CAMMINARE IN PIANO (5 Km/h)
SPORT: pattinaggio
SPORT : sciare
SPORT: CORSA ( 15 KM/h )
SPORT CORSA (15 Km/h)
(lavare
UNI EN ISO 8996: 2005
Ergonomia dell’ambiente termico:
Determinazione del metabolismo
energetico
VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO
IN UN AMBIENTE CONFINATO MODERATO
La resistenza termica dell’abbigliamento
Generalmente viene espressa con il clo:
Smart
school community
RESISTENZA TERMICA DELL'ABBIGLIAMENTO
RIFERIMENTO ALLA NORMA UNI EN 7730 (2006)
ALUNNO/A
DATA
DESCRIZIONE DEGLI INDUMENTI
1 clo = 0,155 m2 °C/w
Esempi di combinazione di abbigliamenti
tipici:
BIANCHERIA
INFERIORE
CORPO
PARTE
DEL
BIANCHERIA PARTE
SUPERIORE
DEL
CORPO
CAMICIE-BLUSE
ICLOm°C/W Iclo TOT
CALZE LUNGHE LEGGERE
0,1
0,016
CALZE ALLA CAVIGLIA LEGGERE
0,05
0,008
CALZINI LEGGERI
0,02
0,003
COLLANT
0,03
0,005
SLIP
0,03
0,005
BOXER
0,04
0,006
REGGISENO
0,01
0,002
MAGLIETTA SENZA MANICHE
0,06
0,009
T-SHIRT
0,09
0,014
MAGLIETTA A MANICHE LUNGHE
0,12
0,019
SOTTOVESTE DI NYLON
0,14
0,022
CAMICIA A MANICHE CORTE
0,19
0,029
CAMICIA A MANICHE LUNGHE LEGGERA
0,15
0,023
CAMICIA A MANICHE LUNGHE
0,25
0,039
CAMICIA DI FLANELLA A MANICHE LUNGHE
0,3
0,047
BLUSA A MANICHE LUNGHE COLLO ALTO
0,34
0,053
PANTALONI CORTI
0,11
0,009
JEANS
0,25
0,039
PANTALONI LEGGERI LUNGHI
0,2
0,031
PANTALONI
• Corpo nudo: 0 clo
• Soggetto con vestito estivo: 0,3-0,6 clo
• Soggetto con vestito invernale: 0,7-1,2
clo
• Vestito pesante con soprabito: 1,8 clo
CLO
TUTE
PANTALONI NORMALI
0,25
0,039
PANTALONI DI FLANELLA
0,28
0,043
TUTA DA GINNASTICA
0,28
0,043
GILET
0,12
0,019
MAGLIONE LEGGERO
0,2
0,031
FELPA
0,2
0,031
MAGLIONE CLASSICO
0,28
0,043
0,054
ICLO TOT= Σiclo
ESEMPIO
PRIMAVERA / ESTATE
0,1
0,03
0,19
0,01
0,09
0,04
0,11
0,05
0,02
ΣIclo
0,25
0,41
AUTUNNO /INVERNO
0,2
0,2
MAGLIONI-FELPE
MAGLIONE PESANTE
0,35
MAGLIONE A COLLO ALTO LEGGERO
0,26
0,04
GIACCA ESTIVA
0,25
0,039
GIACCA INVERNALE
0,35
0,054
CAPPOTTO
0,6
0,093
GIACCA A VENTO (PIUMINO)
0,55
0,085
GUANTI
0,05
0,008
MINIGONNA (15 CM SUL GINOCCHIO)
0,1
0,016
0,35
0,04
CAPPOTTI-GIACCHE
GUANTI
GONNA LEGGERA (15 CM SOTTO IL GINOCCHIO)0,18
0,028
0,28
GONNE- ABITI
0,25
0,039
ABITO INVERNALE, MANICHE LUNGHE
0,4
0,062
SCARPE (SUOLA SOTTILE)
0,02
0,003
SCARPE (SUOLA SPESSA)
ABITO LEGGERO ESTIVO, SENZA MANICHE
SCARPE
0,04
0,04
0,006
STIVALI
0,1
0,016
DI LEGNO, DI METALLO
0
0
0,04
0
RIVESTITA CON STOFFA IMBOTTITA
0,1
0,016
0,1
SEDIE
0,82
0,05
ΣIclo
0,96
LE NORME TECNICHE PER LA VERIFICA DI COMFORT TERMICO
GLOBALE E LOCALIZZATO: PROCEDURE E STRUMENTI
Ambienti moderati
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»:
questa norma presenta metodi per prevedere la sensazione
termica globale ed il grado di disagio (insoddisfazione termica)
delle persone esposte in ambienti termici moderati.
Consente la determinazione analitica e l'interpretazione del
benessere termico mediante il calcolo del PMV e del PPD e dei
criteri di benessere termico locale, fornendo le condizioni
ambientali considerate accettabili per il benessere termico
globale così come quelle che rappresentano il disagio locale.
VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO
IN UN AMBIENTE CONFINATO MODERATO
CHECK- LIST secondo la norma UNI EN ISO 7730 - 2006:
1. CHECK 1: - 0.5 < PMV < + 0.5 (COMFORT GLOBALE)
2. CHECK 2: DR < 20 % al collo e alla caviglia
3. CHECK 3: Le differenze verticali della temperatura dell’aria livello
caviglia-livello testa devono essere minori di 3°C
4. CHECK 4: L’asimmetria della temperatura radiante da pareti fredde
deve essere minore di 10°C
5. CHECK 5: L’asimmetria della temperatura radiante da soffitto caldo
deve essere minore di 5°C
6. CHECK 6: La temperatura superficiale del pavimento deve essere
compresa tra i 19°C ed i 29°C
7. CHECK 7: L’umidita relativa deve essere compresa tra 30% e 70%
STRUMENTI DI MISURA DEI PARAMETRI FISICI PER
L’AMBIENTE TERMICO
NORMA UNI EN ISO 7726-2002
Ergonomia dell’ambiente termico
Strumenti per misurare i parametri fisici
La norma specifica il campo di applicabilità, le
caratteristiche metrologiche degli strumenti e i metodi per
la misurazione delle grandezze fisiche che caratterizzano
un ambiente termico in funzione della valutazione del
comfort ed in particolare della temperatura radiante
STRUMENTI DI MISURA DEI PARAMETRI FISICI PER
L’AMBIENTE TERMICO
Nella valutazione degli indici di comfort termico in
ambienti confinati moderati e nella conseguente stima di
PMV e PPD gli errori di misura su ta e tr hanno pari
influenza…
…MA la misura di tr è affetta da incertezze (+/- 2 °C)
molto maggiori di quella di ta (+/- 0,5 °C)
(UNI EN 7726-2002)
STRUMENTI DI MISURA DEI PARAMETRI FISICI PER
L’AMBIENTE TERMICO
Discostamenti ammissibili indicati nelle norme
UNI EN 7726-2002
STRUMENTI DI MISURA DEI PARAMETRI FISICI PER
L’AMBIENTE TERMICO
La maggiore tolleranza sulla misura della temperatura
media radiante rende maggiormente critica quest’ultima
rispetto a quella della temperatura dell’aria
E’ importante dunque soffermarsi sui metodi di misura di
questo parametro essenziale nel calcolo degli indici di
comfort globale
La temperatura media radiante è la temperatura di un
ambiente virtuale caratterizzato dallo stesso scambio
energetico di quello reale, termicamente disomogeneo
per la presenza di varie sorgenti di diversa temperatura
STRUMENTI DI MISURA DEI PARAMETRI FISICI PER
L’AMBIENTE TERMICO
La normativa UNI EN ISO 7726:2002 indica alcune procedure
che prevedono complicati calcoli e misurazioni per la
valutazione della temperatura media radiante delle pareti di
un ambiente confinato.
Fra i vari strumenti definiti dalla normativa ci sono:
1) Misure con il globo termometro nero
2) Metodo dei fattori di vista
3) Metodo della temperatura piana radiante o del
radiometro a due sfere
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA RADIANTE
Globotermometro nero (diametro standard cm 15, Ɛ = 0,95)
Il principio di funzionamento è basato sullo scambio termico
per irraggiamento con le varie sorgenti presenti
nell’ambiente e sullo scambio convettivo determinato dalla
velocità dell’aria (Va) e dalla temperatura dell’aria (ta) in
prossimità del globo.
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA RADIANTE
Limiti dello strumento e precauzioni (B.2.3.2 – B.2.3.6 UNI 7726)
1. Se l’ambiente confinato presenta emissioni non omogenee
sono necessarie misurazioni con almeno tre globotermometri
2. Equilibrio termico del globo si raggiunge tra i 20’ a 30’
3. L’accuratezza della misura di tr può variare notevolmente in
funzione delle caratteristiche dell’ambiente
4. A causa della differenza di forma fra globo e persona, la
radiazione ricevuta dal pavimento o dal soffitto è sovrastimata rispetto a una persona seduta o in piedi
Ciò ha condotto all’utilizzo di sensori a forma ellissoidale
più prossimi alla forma della persona
STRUMENTI DI MISURA DEL WBGT - PMV - PPD
• Misura di WBGT (Wet Bulb Globe Temperature)
Temperatura a bulbo umido e del globo termometro
per l’analisi di ambienti severi caldi (ISO 7243)
• Calcolo di PMV e PPD per ambienti moderati
tnv = temperatura di bulbo umido a ventilazione
naturale
tg = temperatura del globotermometro
ta = temperatura dell’aria
Rh = umidità relativa
Va = velocità dell’aria
Calcola anche:
Tr = temperatura media radiante
Rif norme :
UNI EN ISO 7726
UNI EN ISO 7243 : ambienti caldi. Valutazione dell’ambiente termico nei luoghi di lavoro , basata sull’indice WBGT
(temperatura a bulbo umido e del globotermometro)
UNI 7730
UNI EN ISO 8996
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
Metodo indiretto
Dei fattori di vista
Calcola tr sulla base della temperatura superficiale delle pareti
circostanti mediante metodi a contatto o a distanza (termometro
a contatto o a radiazione) e la stima del fattore di vista tra la
persona e le superfici circostanti Fp-i .
Se la differenza tra le temperature delle pareti è relativamente
trascurabile, la formula si semplifica:
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
Metodo dei fattori di vista
Si divide idealmente ogni parete in quattro
rettangoli determinati dalla proiezione del punto
“baricentrico” della persona seduta (h= 0,60 m) o
in piedi (h= 1,00 m)
Con
a e b = porzione di parete
c = distanza del baricentro dalla parete
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
Metodo dei fattori di vista
Si divide idealmente pavimento e soffitto in quattro
rettangoli determinati dalla proiezione del punto
“baricentrico” della persona seduta (h= 0,60 m) o
in piedi (h= 1,00 m)
Con
a e b = porzione di pavimento o soffitto
c = distanza del baricentro pavimento o soffitto
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
Metodo dei fattori di vista
ha i seguenti vantaggi/criticità :
Vantaggi:
• migliore accuratezza nella determinazione dei vari
contributi delle diverse pareti alla temperatura media
radiante
• Possibilità di stimare condizioni di asimmetria
Criticità:
• Calcolo dei fattori di vista
• Misurazione della temperatura media superficiale
delle pareti
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
Metodo della temperatura piana radiante
La temperatura piana radiante descrive le
radiazioni provenienti dal semispazio che
fronteggia la faccia dell’elemento piano
Lo strumento principale utilizzabile
è il “sensore riscaldato” (radiometro netto)
costituito da un disco riflettente e un disco
assorbente affiancati
Il disco riflettente (gold plated) scambia
energia con l’ambiente solo attraverso la
convezione
Il disco assorbente (matt black painted)
scambia energia mediante convezione ed
irraggiamento
radiometro netto
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
Metodo della temperatura piana radiante
Dalla differenza tra le potenze fornite ai due dischi per mantenerli
ad una data temperatura si ottiene il calcolo della temperatura
piana radiante riferibile al semi-spazio posto di fronte al disco
assorbente
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
Metodo
radiante
della
temperatura
piana
La temperatura media radiante può
essere calcolata misurando la temperatura
piana radiante Tpr-i nelle sei direzioni dello
spazio (sopra, sotto, destra, sinistra, avanti,
dietro) ed i fattori di area proiettata Ap-i per
una persona nelle sei direzioni dello spazio
secondo la relazione:
Che per una persona seduta è:
UTILIZZO DELLA TERMOCAMERA PER LA MISURA DELLA
TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
Metodo indiretto della misura a distanza della
temperatura superficiale e dei fattori di vista
Rappresenta un’alternativa possibile ai metodi e alle regole
dettate dalla norme UNI EN ISO 7726
Criticità:
• Stima delle emissività delle superfici
• Necessità di misurare termogrammi di tutte le superfici
dell’ambiente
• Complessità della strumentazione necessaria
• Difficoltà nel calcolo dei fattori di vista
UTILIZZO DELLA TERMOCAMERA PER LA MISURA DELLA
TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
Metodo indiretto della misura a distanza della
temperatura superficiale e dei fattori di vista
Allo stesso tempo nella valutazione del comfort, in presenza
di un numero consistente di persone (come per esempio in
una classe a scuola) la domanda è relativa al metodo
attraverso il quale calcolare il contributo derivante dalle
singole persone
UTILIZZO DELLA TERMOCAMERA PER LA MISURA DELLA
TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
Misura della temperatura piana radiante della porzione
di spazio oggetto della ripresa
Idea della seguente ricerca è l’uso della termografia per
la misura della Tpr intendendo la lente della
termocamera come faccia dell’elemento piano di fronte
al semispazio
Condizione preferenziale: utilizzo di sistema ottico
grandangolare
(tenendo in debito conto il fatto che il flusso di energia
radiante che proviene dai bordi del campo di vista è
molto inferiore a quello proveniente dal centro).
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
Misura della temperatura piana radiante della porzione
di spazio oggetto della ripresa
Strumento utilizzato:
Termocamera (FLIR T620)
in funzione di radiometro
per effettuare una stima
della tpr
Analisi di comfort termico con termocamera
in un aula di informatica con 24 studenti:
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
Misura del PMV e del PPD
Cgli studenti hano compilato una scheda
di calcolo per la misura e verifica degli
indici di comfort globale attraverso
Le misure strumentali dei parametri
ambientali
La valutazione di parametri soggettivi
Il calcolo delle tmr a partire dalle tpr
La verifica del PMD e del PPD
CONCLUSIONI
il metodo proposto è solo approssimativamente utilizzabile al
posto di quelli previsti dalle norme tecniche ed è ancora da
validare
resta irrisolto il problema di come procedere se vi sono
"molti" ostacoli nella stanza come la presenza di molte
persone e di molti arredi (fra cui pc in una sala di
informatica)
Trovare il modo di ottenere la temperatura radiante fornita
dalla lettura di tutto il fotogramma registrato dalla
termocamera e che questa è tanto più vicina alla
temperatura radiante piana quanto più l'obiettivo dello
strumento è è grandangolare.
Grazie
dell’attenzione!