Comfort umano e valutazioni delle differenti permeabilità ai vapori.

La valutazione del comfort termico è molto importante per qualunque campo di applicazione.

Le persone che si sentono a loro agio in un certo ambiente possono prestare maggiore attenzione a quello che stanno facendo e, di conseguenza, lavorare meglio e con migliori risultati.

Per alcuni tipi di lavoro la sensazione termica può essere un problema serio: quando una persona guida un camion per diverse ore, in un giorno assolato, ha bisogno di sentirsi bene poiché il suo compito è molto impegnativo e qualunque distrazione può essere pericolosa.

È inoltre noto che gli abiti possono influenzare profondamente la sensazione termica, dato che influenzano sia lo scambio termico secco tra la pelle e l’ambiente, sia l’evaporazione del sudore prodotto e, di conseguenza, possono ridurre in modo significativo la quantità di calore dissipato.

Recentemente sono sul mercato abiti concepiti sia per contesti professionali  che per il tempo libero, in grado di proteggere il corpo dal vento e dalla pioggia, garantendo nel contempo  l’evaporazione del sudore che è il modo più efficiente di dissipare il calore prodotto.

Partendo da queste premesse, è chiara l’importanza dello sviluppo di un idoneo modello matematico in grado di valutare la sensazione termica di una persona, prendendo in considerazione tutti i differenti aspetti, quali la produzione di calore del corpo, il tipo di abbigliamento, le condizioni climatiche dell’ambiente.

Negli anni passati un modello del genere era già stato realizzato dal CRF, Centro Ricerche Fiat, relativamente all’abitacolo dell’automobile e recentemente è stata migliorata la rappresentazione dell’interazione tra la pelle e gli abiti allo scopo di prendere in considerazione anche l’impatto di differenti tipi di tessuti sull’evaporazione del sudore.

Il modello CRF

Il modello CRF si basa sul modello a due-nodi di Gagge, che è stato sviluppato a partire dal 1971 e raffigura il corpo umano come due cilindri concentrici, rappresentanti rispettivamente la parte essenziale del corpo-core- (scheletro, muscoli, organi interni) e la pelle.

In figura 1 è indicato il modello a due comparti con i termini che descrivono gli scambi di calore con l’ambiente. Il modello si basa sulle seguenti ipotesi:

-          lo scambio di calore per conduzione dalla pelle è trascurabile;

-          la temperatura è uniforme in ciascun comparto;

-          la produzione di calore metabolico, il lavoro esterno e la perdita di calore tramite respirazione sono associati solo con il core;

-          gli scambi termici tra la pelle e il core sono dovuti alla conduzione attraverso i tessuti del corpo e attraverso il flusso sanguigno termoregolatorio.

Il modello è descritto da due equazioni accoppiate, una per ciascun comparto:

vedi Figura 1

Dove:

M =     produzione di calore metabolico (W/m²)

W =     lavoro meccanico svolto (W/m²)

C_res =   perdita di calore percepibile tramite respirazione (W/m²)

E_res =    calore latente perso tramite respirazione (W/m²)

 

Il corpo scambia calore con l’ambiente esterno sia tramite perdita percepibile che latente di calore e questi termini si riferiscono sia al core (perdita percepibile e latente di calore dovuta alla respirazione) che alla pelle (perdita percepibile di calore per convezione e perdita latente dovuta all’evaporazione del sudore secreto dalla pelle ed alla diffusione dell’acqua attraverso la pelle stessa).

Iniziando da questo semplice modello, i nodi sono stati aumentati allo scopo di considerare separatamente le seguenti parti del corpo:

-          testa;

-          mani;

-          corpo A, che comprende il torace e le braccia;

-          corpo P, rappresentato dal dorso;

-          gambe.

Questo tipo di segmentazione del corpo è stata introdotta per adattare il modello alla cabina dell’automobile, dove il dorso è sempre in contatto con  lo schienale del sedile e di conseguenza non scambia calore tramite convezione, come succede per la parte anteriore del corpo.

Inoltre, la cabina dell’automobile è un ambiente particolare, caratterizzato da un piccolo volume rispetto a quello di una costruzione: ciò causa una vicinanza costante del passeggero ad una superficie di vetro relativamente estesa e quindi un’esposizione alla radiazione solare. Per tale ragione in futuro le parti del corpo saranno aumentate, allo scopo di prendere in considerazione le zone esposte a temperature diverse, come comunemente avviene a causa dell’asimmetria della radiazione solare.

In questo modello sono presi in considerazione tutti i termini relativi agli scambi di calore con l’ambiente esterno, differenziando tra parti coperte e non coperte dagli abiti, mentre la produzione di calore metabolico, i brividi e la perdita di calore tramite respirazione sono associati direttamente al core, come nel modello originale a due comparti.

È noto che l’evaporazione del sudore è il modo più efficiente per mantenere la temperatura del corpo in un range confortevole e che questa può essere fortemente influenzata dagli abiti, fissate le condizioni ambientali: per tale ragione è stato sviluppato un modello idoneo a spiegare l’impatto dei vestiti con differenti proprietà di permeabilità.

Il modello simula l’interazione tra pelle e abiti partendo dalle seguenti ipotesi:

-          il sudore viene prodotto dalle ghiandole sudoripare, le quali sono attivate dai segnali di caldo che provengono sia dal core che dalla pelle;

-          tutto il sudore secreto passa direttamente dalla superficie della pelle agli abiti: non è considerata l’evaporazione a livello della pelle;

-          parte del sudore evapora nell’ambiente, parte viene assorbito dai vestiti, finché questi non giungono a saturazione: dopo tale punto, il sudore ulteriormente prodotto non può evaporare, a causa delle condizioni ambientali, gocciola dai vestiti e, di conseguenza, rimane sulla pelle. In altre parole, in questo modello gli abiti non sono considerati solo dal punto di vista della capacità termica, ma anche come una sorta di “capacità di vapore acqueo” che può contenere sudore fino ad un certo valore finito, dopo il quale non è più possibile l’assorbimento.

Tutte queste proprietà sono tipiche di ciascun materiale e vanno determinate in modo idoneo.

Può essere ora utile descrivere i dati richiesti come “input” e quelli forniti come “output” dal modello.

Gli input del modello sono i seguenti:

-          dati sulle condizioni climatiche, ovvero temperatura dell’aria, temperatura radiante media dell’ambiente circostante, velocità dell’aria vicino alle parti del corpo, umidità dell’aria. Questi dati possono essere sia sperimentali, ovvero dati provenienti da un ambiente reale, che virtuali, ovvero dati stimati con idoneo software;

-          produzione di calore metabolico, che dipende dal livello di attività;

-          proprietà degli abiti indossati: isolamento termico, permeabilità al vapore acqueo e “capacità al vapore acqueo”.

 

Gli output del modello sono i seguenti:

-          distribuzione della temperatura della pelle, ovvero temperatura della pelle per ciascuna parte del corpo;

-          umidità della pelle dovuta a produzione di sudore;

-          quantità di sudore secreto;

-          quantità di sudore assorbito dagli abiti;

-          quantità di sudore che gocciola dagli abiti;

-          indici di comfort per valutare la sensazione termica.

Dalle considerazioni precedenti, emerge che il modello può essere utilizzato come “laboratorio virtuale” dove è possibile valutare la sensazione termica in una varietà di condizioni diverse, semplicemente variando il livello di attività, ovvero la produzione di calore metabolico, le condizioni climatiche e le proprietà degli abiti.

Sono state effettuate diverse simulazioni, come esempio di applicazioni del modello, considerando diverse situazioni limite, che variano durante la simulazione, come descritto nella tabella 1.

Tabella 1: condizioni limite considerate per le simulazioni

Fase	Durata     (min)	Produzione di calore metabolico (W/m2)	Velocità dell’aria   (m/s)	Temperatura Dell’aria   (°C)	Temperatura radiante media   (°C)	Umidità dell’aria   (%)
1	66	115	0.2	18	20	20
2	50	130	0.5	20	40	20
3	50	130	0.5	20	25	20
4	35	110	0.2	18	20	20

Le differenti fasi indicate in precedenza hanno il seguente significato:

1.      la persona è in posizione eretta in una stanza dove la temperatura dell’aria, la temperatura radiante media e la velocità dell’aria sono basse;

2.      la persona si sposta dalla stanza all’ambiente esterno, dove splende il sole: ovviamente aumentano sia la temperatura dell’aria che la temperatura radiante media e, poiché la persona sta camminando velocemente, aumentano anche la velocità dell’aria circostante il corpo e la produzione metabolica di calore;

3.      il sole è coperto dalle nuvole: la temperatura radiante media diminuisce significatamene (da 40°C a 20°C) mentre la temperatura dell’aria non cambia. Poiché la persona sta ancora camminando, anche la produzione di calore e la velocità dell’aria non variano;

4.      in quest’ultima fase la persona si sposta in una nuova stanza, riparata dal sole e si siede: la temperatura dell’aria e la temperatura radiante media sono ovviamente più basse e anche la produzione metabolica di calore e la velocità dell’aria diminuiscono.

Tutti i cambiamenti descritti modificano notevolmente la quantità di calore scambiato tra il corpo e l’ambiente esterno e, di conseguenza, hanno un impatto diretto sulla sensazione termica avvertita dalla persona nelle differenti situazioni. Comunque, va tenuto conto che la sensazione termica è fortemente influenzata anche dagli abiti indossati, sia per le loro proprietà di isolamento termico che per quelle di permeabilità: per questa ragione sono state effettuate due simulazioni con le fasi descritte considerando abiti con una permeabilità molto diversa al vapore acqueo.

I termini utilizzati per comparare le due condizioni sono i seguenti:

1.      sensazione termica: questo parametro è definito in termini di deviazione della temperatura media del corpo dal caldo al freddo e si basa su una scala a 11 punti, dove i valori positivi (dall’1 al 5) corrispondono alla sensazione di caldo e i valori negativi (da –1 a –5) corrispondono alla sensazione di freddo: maggiore è la distanza dallo 0, che corrisponde al valore neutrale, maggiore è la sensazione di caldo o di freddo;

2.      temperatura delle parti del corpo coperte da abiti la cui permeabilità è stata modificata;

3.      quantità di sudore evaporata a livello degli abiti.

Dai risultati ottenuti emergono alcune osservazioni interessanti:

-          la sensazione è fortemente influenzata dalle condizioni climatiche dell’ambiente, come ci si può aspettare, e il modello matematico è in grado di predire questa variazione;

-          la permeabilità degli abiti contribuisce in modo significante a determinare la sensazione termica poiché ha un sensibile effetto sulla quantità di sudore che può evaporare verso l’ambiente esterno: in caso di bassa permeabilità l’evaporazione risulta quasi dimezzata rispetto al caso di permeabilità alta. Quest’ultimo punto è molto importante, considerando che l’evaporazione del sudore è, come noto, il più efficiente meccanismo termoregolatorio ed è perciò importante essere in grado di predire la quantità di sudore che evaporerà in una data condizione climatica, stabiliti il livello di attività e l’abbigliamento;

-          come ci si può aspettare, la riduzione dell’evaporazione del sudore influenza la temperatura corporea che, per gli abiti a bassa permeabilità è effettivamente maggiore rispetto a quelli ad alta permeabilità.

Da queste considerazioni emerge che il modello matematico è un utile strumento per predire la sensazione di comfort termico e per valutare altri dati termo-fisiologici: per tale ragione sono previsti ulteriori miglioramenti del modello, allo scopo di ottenere una descrizione più dettagliata delle parti del corpo e per arrivare a valutazioni più complete.

Innanzitutto, i nodi del modello saranno aumentati, introducendo ad esempio anche braccia e piedi che finora sono stati inclusi rispettivamente in “corpo A” e “gambe”. Queste variazioni miglioreranno il modello da due punti di vista:

1.      il modello sarà più adatto per essere integrato con un modello a 3D della cabina dell’automobile, poiché potrà possibilmente tenere in considerazione l’asimmetria della radiazione, tipica di tale ambiente ad esempio durante un giorno estivo in cui le parti del corpo saranno molto probabilmente sottoposte a differenti temperature radianti medie;

2.      un maggiore dettaglio nella descrizione delle parti del corpo permette anche di considerare una distribuzione più dettagliata degli abiti e questo può essere molto utile per le valutazioni di comfort termico allorché le proprietà degli abiti siano molto diverse tra le varie parti del corpo oppure quando l’interesse principale consista nel valutare l’impatto del cambiamento di abito solo in una particolare parte del corpo.