Benessere termoigrometrico

Per benessere termoigrometrico si intende la sensazione di soddisfazione che, in un ambiente, le persone provano nei riguardi della sensazione termica (sentire caldo/freddo) e idrometrica (umidità). L’esperienza ha mostrato che un giudizio positivo sulla sensazione termica provata in un ambiente viene formulato da gran parte delle persone solo in corrispondenza di certi valori assunti da alcune grandezze fisico-tecniche.

Per comfort o benessere si intende quel particolare stato psicofisico nel quale un soggetto esprime soddisfazione nei riguardi degli stimoli fisici con cui interagisce. Gli stimoli fisici sono: il suono, la luce, gli odori, i sapori ed il clima.

L’esperienza mostra che, in condizioni stazionarie, la sensazione di benessere termoigrometrico dipende da sei grandezze; quattro caratterizzanti le condizioni ambientali:

  • temperatura dell’aria;
  • temperatura media radiante delle superfici che delimitano l’ambiente;
  • umidità relativa dell’aria;
  • velocità dell’aria;

due caratterizzanti gli individui:

  • attività fisica svolta;
  • abbigliamento.

È opportuno precisare subito che “condizioni di benessere” possono essere ottenute con molteplici e diverse combinazioni di queste grandezze. Le considerazioni che saranno presentate si riferiscono ad ambienti in condizioni stazionarie e per permanenze superiori ai 15 minuti.

La valutazione delle condizioni di benessere termoigrometrico può essere effettuata a partire da un bilancio energetico fra il soggetto e l’ambiente.

A tale proposito è necessario ricordare che il corpo umano nei confronti delle grandezze termiche può essere rappresentato come una macchina termica che trasforma energia di prima specie in calore, al fine di mantenere la propria temperatura interna pari a circa 37 °C (temperatura alla quale le funzioni fisiologiche possono esplicarsi correttamente): tale processo prende il nome di metabolismo; ed avviene per effetto di reazioni chimiche che producono calore.

Sistema termoregolatore dell’uomo

Per poter mantenere pressoché costante la temperatura corporea, l’uomo possiede nell’ipotalamo un sofisticato sistema di “termoregolazione” che, sulla base di stimoli provenienti dai termorecettori posti sulla superficie della pelle, mette in azione strategie compensatrici. La termoregolazione può essere di due tipi: vasomotoria (o fisiologica) e comportamentale.

  • La regolazione vasomotoria (o fisiologica) è rappresentata dalle reazioni spontanee dell’organismo alle variazioni di temperatura interna: quando la temperatura esterna è elevata i termoricettori (che avvertono variazioni di 0.01°C) inviano un’informazione ormonale che determina un incremento della temperatura della pelle (mediante un maggiore flusso di sangue), la quale a sua volta produce un incremento del flusso termico disperso. Se tale circostanza risulta insufficiente allora si ha la produzione di sudore, che determina un ulteriore incremento del flusso disperso per effetto, principalmente, della evaporazione dello stesso sudore. Quando, invece, la temperatura esterna è bassa i termoricettori diminuiscono l’afflusso di sangue sulle parti esterne del corpo; diminuisce così la temperatura della pelle ed il flusso disperso.
  • La regolazione comportamentale è invece volontaria: se la temperatura interna tende ad aumentare (o diminuire) il soggetto decide di diminuire (o aumentare) l’attività fisica e/o la resistenza termica dell’abbigliamento.

La potenza energetica M messa in gioco è detta metabolismo: ad esempio, per una persona normale in condizioni di riposo M ≈ 100 [W]. Nel caso di attività fisiche particolarmente intense M può raggiungere valori fina a circa M ≈ 1000 [W]. I meccanismi adottati dal corpo umano per controllare la temperatura corporea sono svariati, ad esempio, per evitare un decremento:

  • si può ridurre il flusso termico disperso verso l’esterno, diminuendo la temperatura della superficie corporea (pelle) \(t_s\) con una vasocostrizione periferica della circolazione sanguigna;
  • è possibile aumentare M modificando il comportamento (ad esempio incrementando l’attività fisica, modificando l’abbigliamento o spostandosi in un ambiente meno esposto). Il metabolismo M può essere incrementato anche tramite un tremore incontrollato (brividi).

Per evitare, invece, un incremento della temperatura corporea:

  • si può aumentare il flusso termico disperso verso l’esterno con un meccanismo opposto a quello precedentemente accennato e cioè aumentando la temperatura \(t_s\) con una vasodilatazione della circolazione sanguigna periferica;
  • si può anche ricoprire la pelle, tramite l’azione di speciali ghiandole sudoripare, con acqua (sudore) che evapora mettendo in gioco un flusso termico \(E_t = g_t\cdot r\) (\(r\) è il calore di vaporizzazione dell’acqua alla temperatura corporea e \(g_t\) è la portata di vapore prodotto).

In generale, come si vedrà, la sensazione di benessere termoigrometrico corrisponderà ad una situazione di equilibrio termico con l’ambiente “naturale” quando, cioè, i meccanismi citati di controllo della temperatura non intervengono.

Da queste considerazioni di carattere generale si evince come per comprendere la complessità e la varietà di questa problematica è opportuno prendere le mosse dagli scambi di energia termica e di vapore d’acqua che si attuano tra il corpo umano e l’ambiente circostante.

Bilancio termico del corpo umano

La relazione che esprime un bilancio energetico del corpo umano può essere rappresentata come segue:

[S=M-L-(E_d+E_L)\pm (R_L+R_S)\pm C\pm H\pm R]

Le grandezze riportate nella relazione sono:

  • \(S\) = variazione di energia all’interno del corpo umano (potenza termica accumulata o ceduta dal corpo) [W/m2];
  • \(M\) = metabolismo: quantità di energia prodotta, a seguito dei processi chimico-fisici, all’interno del corpo umano [W/m2]. La produzione di energia per effetto del metabolismo aumenta con il livello di attività svolta. L’unità di misura del metabolismo è il met. Ad 1 met corrisponde circa la quantità di calore generata per unità di superficie del corpo di un soggetto in condizioni di riposo e in assenza di alimentazione da almeno 12 – 16 ore. Il valore di 1 met corrisponde a 58 [W/m2]. Il metabolismo basale (energia necessaria a mantenere in temperatura il corpo) costituisce circa il 90% dell’intero metabolismo, mentre in condizioni di notevole moto il metabolismo può assumere valori pari a 10 met.
  • \(L\) = energia relativa all’attività svolta (lavoro meccanico scambiato dal corpo con l’esterno nell’unità di tempo) [W/m2];
  • \(E_d\) = calore smaltito per diffusione del sudore sulla pelle [W/m2];
  • \(E_L\) = calore latente di evaporazione del sudore sulla pelle [W/m2]; la cessione di potenza termica per evaporazione avviene in tre modi: a livello dell’epidermide (sudorazione), dei tessuti e a livello polmonare; il processo più significativo è la sudorazione: complessivamente una persona può produrre fino a 1 litro di liquido per ora, a cui corrisponde una potenza termica di circa 675 [W/m2];
  • \(R_L\) = calore latente di evaporazione relativo alla respirazione [W/m2] che corrisponde alla energia persa per far evaporare parte dell’acqua contenuta nell’aria umida;
  • \(R_S\) = calore sensibile conseguente alla respirazione [W/m2]; il corpo umano, per effetto dei processi respiratori, cede all’ambiente calore, in quanto l’aria espirata è più calda di quella inspirata. In particolare un soggetto, ad ogni atto respiratorio, introduce nel corpo aria nelle condizioni di temperatura ed umidità relativa dell’ambiente ed espira aria ad una temperatura di circa 34°C ed in condizioni sature; in ambienti con temperatura dell’aria pari a 20°C, la potenza termica ceduta, a seconda del livello di attività, varia tra 2 e 5 [W/m2] e può essere trascurata nell’equazione del bilancio termico;
  • \(C\) = calore scambiato per conduzione [W/m2]; lo scambio di calore per conduzione avviene per contatto del corpo umano con oggetti solidi a temperatura diversa, sia in modo diretto sia attraverso i vestiti;
  • \(H\) = calore scambiato per convezione [W/m2]; lo scambio di calore per convezione avviene tra la superficie corporea a diretto contatto con l’aria ambiente oppure ricoperta dal vestiario e l’aria. Lo scambio può avvenire in convezione naturale o forzata ed è regolato dal coefficiente di convezione K . La resistenza termica dei vestiti varia con il tipo di abbigliamento e viene valutata attraverso un’unità di misura convenzionale detta clo (1 clo = 0,155 °C m2/W);
  • \(R\) = calore scambiato per irraggiamento [W/m2]; lo scambio termico per irraggiamento avviene tra la superficie del corpo umano, nuda o vestita, e le superfici circostanti.