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Sessione specialistica «Manutenzione e processi : i metodi termici per la caratterizzazione meccanica dei materiali e della loro integrità»
Antonella TUNDO ricercatrice ENEA DTE SEN SCC Dipartimento Tecnologie Energetiche - Divisione Smart Energy Laboratorio «Smart Cities & Communities»
LA TERMOGRAFIA NELLA VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO IN AMBIENTI SCOLASTICI CON LA PARTECIPAZIONE DEGLI STUDENTI
Affidabilità e Tecnologie 10a edizione Torino, 20-21 aprile 2016
LA TERMOGRAFIA NELLA VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO
IN AMBIENTI SCOLASTICI
CON LA PARTECIPAZIONE DEGLI STUDENTI
Scala di sensazione termica (standard ASHRAE)
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
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 molto caldo
2 caldo
1 leggermente freddo
0 nè caldo nè freddo
-1 leggermente freddo
-2 freddo
-3 molto freddo
Scala di sensazione termica (standard ASHRAE)
VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO IN UN AMBIENTE CONFINATO MODERATO
Attivita’ metabolica in funzione delle diverse attivita’
MET 1,2
MET 9,5
STARE IN PIEDI RILASSATI.
SPORT CORSA (15 Km/h) UNI EN ISO 8996: 2005
Ergonomia dell’ambiente termico:
Determinazione del metabolismo
energetico
ALUNNO/A DATA
MET
0,8
1
1,2
1,2
1,4
1,6
1,6
1,7
1,9
2
2,5
2,9
3,4
6,2
7
9,5
405
550
110
116
145
170
STARE DISTESI E RIPOSATI
STARE SEDUTI E RILASSATI
STARE IN PIEDI RILASSATI
Attivita' sedentaria (ufficio, scuola, lab)
GUIDARE AUTO
200
360
46
58
70
70
80
93
95
100
LAVORO DOMESTICO PESANTE (lavare
pavimento, stirare)
CAMMINARE IN PIANO (5 Km/h)
SPORT: pattinaggio
SPORT : sciare
SPORT: CORSA ( 15 KM/h )
STARE IN PIEDI: attività leggera (shopping,
laboratorio..)
INSEGNAMENTO
CURA QUOTIDIANA (BARBA, VESTIRSI, LAVARSI)
CAMMINARE IN PIANO (2 Km/h)
STARE IN PIEDI: attività media ( lavoro domestico,
commesso)STARE IN PIEDI: lavare i piatti
ATTIVITA' METABOLICA
RIFERIMENTO ALLA NORMA UNI EN 7730 (2006)
ATTIVITA' SVOLTA
1 MET = > 58, 15 W/M2 DI SUPERFICIE CORPOREA
SUPERFICIE CORPOREA ADULTO => 1,78 M2
W/M2
Smart school community
VALUTAZIONE DEL COMFORT TERMICO IN UN AMBIENTE CONFINATO MODERATO
Generalmente viene espressa con il clo:
1 clo = 0,155 m2 °C/w
Esempi di combinazione di abbigliamenti
tipici:
• 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
La resistenza termica dell’abbigliamento
ALUNNO/A DATA
CALZE LUNGHE LEGGERE 0,1 0,016 0,1
CALZE ALLA CAVIGLIA LEGGERE 0,05 0,008
CALZINI LEGGERI 0,02 0,003
COLLANT 0,03 0,005
SLIP 0,03 0,005 0,03
BOXER 0,04 0,006
REGGISENO 0,01 0,002 0,01
MAGLIETTA SENZA MANICHE 0,06 0,009
T-SHIRT 0,09 0,014 0,09
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 ΣIcloPANTALONI NORMALI 0,25 0,039 0,25
PANTALONI DI FLANELLA 0,28 0,043
TUTE TUTA DA GINNASTICA 0,28 0,043
GILET 0,12 0,019
MAGLIONE LEGGERO 0,2 0,031
FELPA 0,2 0,031 0,2
MAGLIONE CLASSICO 0,28 0,043
MAGLIONE PESANTE 0,35 0,054
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 GUANTI 0,05 0,008
MINIGONNA (15 CM SUL GINOCCHIO) 0,1 0,016
GONNA LEGGERA (15 CM SOTTO IL GINOCCHIO)0,18 0,028
ABITO LEGGERO ESTIVO, SENZA MANICHE 0,25 0,039
ABITO INVERNALE, MANICHE LUNGHE 0,4 0,062
SCARPE (SUOLA SOTTILE) 0,02 0,003
SCARPE (SUOLA SPESSA) 0,04 0,006 0,04
STIVALI 0,1 0,016
DI LEGNO, DI METALLO 0 0 0 ΣIcloRIVESTITA CON STOFFA IMBOTTITA 0,1 0,016 0,1
0,82
MAGLIONI-FELPE
CAPPOTTI-GIACCHE
GONNE- ABITI
SCARPE
SEDIE
0,96
0,05
PRIMAVERA / ESTATE
ICLO TOT= Σiclo
AUTUNNO /INVERNO
0,04
0,04
0,35
0,28
0,2
ESEMPIO
0,19
0,04
RIFERIMENTO ALLA NORMA UNI EN 7730 (2006)
RESISTENZA TERMICA DELL'ABBIGLIAMENTO
0,41
0,02
DESCRIZIONE DEGLI INDUMENTI CLO ICLOm°C/W Iclo TOT
0,11
0,05
BIANCHERIA PARTE
INFERIORE DEL
CORPO
BIANCHERIA PARTE
SUPERIORE DEL
CORPO
CAMICIE-BLUSE
PANTALONI
Smart school community
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%
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
STRUMENTI DI MISURA DEI PARAMETRI FISICI PER L’AMBIENTE TERMICO
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
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 sovra-
stimata 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:
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
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
Metodo dei fattori di vista
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
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
Metodo dei fattori di vista
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
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
radiometro netto
Metodo della temperatura piana radiante
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA 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
Metodo della temperatura piana radiante
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:
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
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
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
Metodo indiretto della misura a distanza della temperatura superficiale e dei fattori di vista
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).
UTILIZZO DELLA TERMOCAMERA PER LA 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
METODI DI MISURA DELLA TEMPERATURA MEDIA RADIANTE
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.