Indoor air quality in environments with anthropogenic pollution - the impact of thermo-hygrometric parameters
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Indoor air quality in environments with anthropogenic pollution
- the impact of thermo-hygrometric parameters
La qualità dell’aria in ambienti antropizzati - l’effetto dei parametri
termo-igrometrici
Paolo Lenzuni2,*, Pasquale Capone1, Daniela Freda1
1
INAIL - Settore Ricerca Certificazione e Verifica - Dipartimento di Igiene del Lavoro
2
INAIL - Settore Ricerca Certificazione e Verifica - Dipartimento di Firenze
*Corresponding author:
Paolo Lenzuni, INAIL - Department of Florence, Via delle Porte Nuove 61, 50144 Firenze, Italy; Ph: ++39 055 3205529,
Fax: ++39 055 3205275, e-mail: p.lenzuni@inail.it
Assessment and evaluation of IAQ and thermal comfort are usually carried out independently of each other. Specific
descriptors and limit values have been developed for each of these two risk factors, and separate standards apply.
However, it is evident that handling IAQ and thermal comfort as a single issue would be a much wiser choice for at least
two reasons: 1) acceptable conditions are often obtained in practice using the same piece of equipment, that is an air con-
ditioning system; 2) the sensitivities of the human body to the thermal environment and to the air quality are strongly
interrelated. In this paper we take a first step along the path which will hopefully lead to the unified assessment of indo-
or air quality and thermal comfort. Here we develop and test a method that takes into account the effect of thermo-hygro-
metric quantities on the IAQ, focusing on environments where pollution is mostly anthropogenic. Human perception of
odors as well as emission of bio-effluents have both been expressed as functions of the air temperature and humidity, and
their impact has been quantified using the “equivalent differential CO2 concentration”, i.e. the differential CO2 concen-
tration that would give the same PPD under standard thermal conditions. This has allowed IAQ acceptability under any
given thermal condition to be calculated from acceptability (or PPD) under standard thermal conditions. Results show
that IAQ acceptability is strongly affected by relative humidity, and that the combination of high humidity and high tem-
perature is commonly perceived as unacceptable. Under such conditions the indoor - outdoor differential CO2 concen-
tration, which is the most effective descriptor of IAQ under standard conditions, plays a minor role. The introduction of
a specific limit curve for relative humidity as a function of air temperature is recommended, so that warm-humid condi-
tions, which are rated as acceptable by existing standards, be ruled out. Simple optimization algorithms are proposed in
order to jointly maximize IAQ and thermal comfort while minimizing the load on the air conditioning system.
Key words: Air quality, thermal comfort, humidity, CO2, acceptability
In questo lavoro viene proposto un metodo per valutare l’impatto delle condizioni termo-igrometriche sull’accettabili-
tà della qualità dell’aria in ambienti a prevalente inquinamento antropico, nei quali cioè la contaminazione deriva prin-
cipalmente dalla emissione di bio-effluenti da parte degli occupanti. Il metodo consente di definire un criterio unico di
comfort che tiene conto sia di aspetti termici sia di aspetti legati alla qualità dell’aria. L’accettabilità mostra una legge-
ra dipendenza dalla concentrazione differenziale massima ammessa di CO2, mentre assai più forte è la dipendenza dal-
l’umidità relativa. Viene di conseguenza raccomandata l’introduzione di un limite di accettabilità specifico per l’umi-
dità relativa, al fine di escludere dall’area di comfort la zona calda umida ammessa dalla vigente normativa tecnica.
Introduzione esterna) di CO2 (indicata nel seguito con ∆CO2). Come
ampiamente argomentato nella prima parte di questo stu-
L’individuazione dei limiti di accettabilità per la qualità
dio [Freda et al., 2010], esistono diversi motivi, sia di prin-
dell’aria (IAQ) in ambienti a prevalente inquinamento
cipio sia pratici, per preferire quest’ultima. In particolare
antropico è un tema ancora aperto. L’applicazione della
essa è concettualmente più diretta, notevolmente più sem-
pertinente normativa tecnica [UNI EN 13779: 2008] richie-
plice da misurare, e consente l’uso di un singolo limite
de infatti che vengano affrontate, e risolte, tre questioni,
indipendente dall’attività metabolica, mentre la portata
relative rispettivamente al descrittore da utilizzare, alla
d’aria specifica per occupante deve necessariamente esse-
classe di qualità da considerare e all’effetto sui valori limi-
re modificata in funzione di questo parametro. Riguardo
te di accettabilità dei parametri termo-igrometrici ambien-
alla classe di qualità, il problema nasce dal fatto che la
tali. Per quel che riguarda il descrittore, la normativa con-
norma UNI EN 13779 indica diversi limiti di accettabilità a
sente l’utilizzo sia della portata d’aria specifica per occu-
seconda della classe (IDA 1, IDA 2, IDA 3, IDA 4) assegna-
pante Qp sia della concentrazione differenziale (interna -
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ta alla situazione in esame. Essa non specifica peraltro in riferimento [Gunnarsen e Fanger, 1992], a sua volta
che modo ad una determinata situazione ambientale possa direttamente legata alla concentrazione differenziale
essere assegnata una classe di qualità, di fatto impedendo ∆CO2 [CEC, 1992] (vedi appendice B, sezione B.2).
di giungere ad un risultato certo. Per supplire a tale lacu- Il giudizio di accettabilità Acc che compare nell’equazio-
na, nella prima parte di questo studio è stato sviluppato un ne [1] è definito su una scala da -1 a 1 come mostrato nella
criterio di classificazione, mutuato da un analogo criterio Figura 1. Pertanto, l’equazione [1] è stata leggermente
precedentemente messo a punto per il comfort termico modificata in modo da generare valori che tendono asin-
[Del Gaudio et al., 2009], basato su di un punteggio che toticamente a 1 o -1 nei limiti di entalpia rispettivamente
tiene conto di tre fattori: 1) la sensibilità del soggetto; 2) la molto alta o molto bassa (vedi appendice A).
delicatezza del compito eseguito; 3) la manipolabilità tec-
nica dell’edificio. Con questo metodo, ad ogni combina-
zione soggetto/attività/edificio viene assegnata in modo
inequivoco una classe di qualità. In questo lavoro viene
discusso l’effetto dei parametri termo-igrometrici, integran-
do gli studi di letteratura relativi alla percezione con con-
siderazioni originali sul processo emissivo degli odori
antropici. L’obiettivo è duplice: 1) determinare la percen-
tuale di insoddisfatti per qualunque combinazione di con-
centrazione differenziale di CO2, temperatura e umidità
dell’aria; 2) determinare un unico criterio di accettabilità
che tenga conto sia della qualità dell’aria, sia del comfort
termico.
Figura 1: Scala di accettabilità
Impatto dei parametri termo-igrometrici Mediante l’equazione [1] è dunque possibile quantificare,
Impatto sulla sensibilità olfattiva per qualsiasi concentrazione differenziale ∆CO2, l’effetto
I limiti di accettabilità per la qualità dell’aria che compaio- sulla sensibilità olfattiva di arbitrarie variazioni della tem-
no nella normativa sono tipicamente espressi relativamen- peratura e dell’umidità relativa. Da questa è poi possibile
te a condizioni termo-igrometriche ambientali cosiddette ricavare, come dettagliato nell’appendice B (equazione
di riferimento (tref = 23°C, RHref = 50%). Numerosi studi [B.5]), la variazione della percentuale di insoddisfatti asso-
[Berg-Munch e Fanger, 1982; Cain et al., 1983; Clausen et ciata a tale effetto. La Figura 2 mostra la percentuale di
al., 1985; Berglung e Cain, 1989; Gwosdow et al., 1989; insoddisfatti associata alla sensibilità olfattiva, in funzione
Fang et al., 1998; Fang et al., 2004] hanno tuttavia dimo- della temperatura ambientale, per tre diverse combinazio-
strato una marcata influenza della temperatura e dell’umi- ni di RH e ∆CO2. Si osserva facilmente il notevole effetto
dità relativa sull’accettabilità di odori non antropogenici. dell’umidità relativa (confronto curva rossa e curva blu).
Per la precisione sono stati individuati due distinti effetti,
legati alle variazioni il primo della sensibilità olfattiva e
l’altro della emissione delle sostanze odorigene.
Identificando nel raffreddamento della mucosa il meccani-
smo che fa variare la sensibilità e quindi l’accettabilità, è
stato affermato [Fang et al., 1998] che l’effetto osservato
sugli odori non antropogenici è con tutta probabilità tra-
sponibile anche ad odori di tipo antropogenico. Con que-
sta assunzione, l’accettabilità in condizioni termo-igrome-
triche qualsiasi può essere calcolata mediante l’algoritmo
[Fang et al., 1998]
Figura 2: Percentuale di insoddisfatti in funzione della
Acc = Acc ref − 0,0247 × (E − E ref )− 0,0416Acc ref × (E − E ref ) [1] temperatura, per diverse combinazioni di ∆CO2 e RH
nel quale: Al contrario una variazione anche sensibile di ∆CO2 produ-
ce un impatto tutto sommato minore (confronto curva rossa
• E = E(ta, RH) è l’entalpia dell’aria con temperatura ta e
e curva nera), in accordo con i risultati di Berglund e Cain
umidità relativa RH;
1989. L’impatto della temperatura è subordinato al valore
• Eref = 45,39 KJ/kg è l’entalpia dell’aria in condizioni di dell’umidità relativa: per RH bassa non si notano effetti sen-
riferimento, tref = 23°C, RHref = 50%; sibili anche per temperature piuttosto alte. Per umidità supe-
• Accref è l’accettabilità in condizioni di riferimento, fun- riori al 40%, temperature superiori a 24°C determinano
zione della percentuale di insoddisfatti in condizioni di invece un forte incremento della percentuale di insoddisfatti.
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Impatto sull’emissione delle sostanze bio-effluenti
Mentre la percezione umana degli odori è relativamente
ben studiata, e l’emissione di sostanze di origine non
antropica non presenta particolari criticità, l’emissione di
odori antropici rappresenta un aspetto ancora poco inda-
gato ma di notevole rilevanza. L’emissione delle sostanze
odorigene di origine antropica è legata alla degradazione
batterica delle sostanze emesse da un tipo di ghiandole
dette “apocrine”, presenti soprattutto in particolari aree
quali le ascelle e le zone pubiche. Al momento della
secrezione tali sostanze si presentano sotto forma di un
liquido viscoso, lattiginoso, sterile e praticamente inodore, Figura 3: Fattore di modulazione dell’emissione di
ricco di materiale organico di derivazione cellulare, di sostanze bio-effluenti, in funzione della temperatura, per
proteine, glicogeno e acidi grassi superiori. L’attività delle diverse umidità relative
ghiandole apocrine non dipende dalle condizioni termo-
igrometriche ambientali quanto da fattori associati a stress Risultati
emotivo. Le sostanze prodotte dalle ghiandole apocrine Percentuale complessiva di insoddisfatti
vengono aggredite dai batteri gram-positivi (Corinebatteri,
Il primo obiettivo di questo lavoro è l’andamento della
Micrococchi, Stafilococchi), che le degradano producen-
percentuale di insoddisfatti PPDTOT in funzione della con-
do una serie di acidi, ad esempio l’acido E-3-metil 2-esa-
centrazione differenziale ∆CO2 per diverse combinazioni
noico (E3M2H). Poiché si tratta di sostanze molto volatili,
di temperatura e umidità.
esse vengono immesse nell’aria indipendentemente dalla
temperatura e dalla umidità della pelle, dando luogo
all’odore che ogni essere umano produce. La quantità di
acidi prodotta non dipende dalla quantità di materia secre-
ta dalle ghiandole apocrine, ma dalla quantità di batteri
presenti, la quale a sua volta è funzione sia della tempera-
tura della pelle tsk che della umidità relativa della pelle
RHsk. Risulta tuttavia molto più comodo disporre di una
relazione che lega l’emissione di tali sostanze alle variabili
termo-igrometriche ambientali, assai più facilmente acces-
sibili in fase di misura. I risultati ottenuti sono stati pertan-
to espressi, come illustrato in dettaglio nell’appendice C,
mediante un fattore di “modulazione” (amplificazione o Figura 4: Percentuale di insoddisfatti in funzione della
riduzione, a seconda dei casi) dell’emissione, per il quale concentrazione differenziale ∆CO2, per diverse combi-
è stata individuata l’approssimazione analitica nazioni ta/RH
t − t ref 0,4
La Figura 4 presenta quattro diversi tracciati ottenuti in
f emiss = e 16,7 × RH [2]
RH ref corrispondenza di altrettante combinazioni ta(°C)/RH(%).
L’effetto della temperatura è sicuramente notevole, come
La Figura 3 mostra il fattore di modulazione dell’emissione
si deduce confrontando le tre curve 20/50, 23/50 e 26/50
in funzione della temperatura, per tre diversi valori dell’umi-
nelle quali l’umidità relativa è costante. Per ∆CO2 = 700
dità relativa. In questo caso la stessa variazione (circa 25%)
ppm, PPDTOT passa da 3% a 13% e a 46%.
che si osserva passando da RH = 30% a RH = 50% risulta
Ancor più macroscopico risulta l’effetto dell’umidità,
associata ad un aumento di temperatura da 23°C a 26,5°C.
come si deduce confrontando le due curve 26/30 e
L’equazione [2] consente di quantificare, all’interno del-
26/50; per la stessa concentrazione differenziale
l’area 20°C < ta < 28°C e 25% < RH < 75%, l’effetto
∆CO 2 = 700 ppm, PPD TOT passa da 7% a 46%.
di arbitrarie variazioni della temperatura e dell’umidità
Indicativamente, lo stesso effetto si ottiene o con un
relativa sulla quantità di bio-effluenti emessi, e di conse-
aumento (o una diminuzione) di temperatura di 3°C o
guenza la variazione della percentuale di insoddisfatti
con un aumento di umidità relativa del 15%.
legata a questo effetto. Infine, combinando l’effetto delle
La Figura 5 mostra invece la percentuale di insoddisfat-
variabili termo-igrometriche ambientali sia sulla sensibilità
ti PPDTOT in funzione della temperatura e dell’umidità
olfattiva che sulla emissione delle sostanze bio-effluenti, è
ambientale. La concentrazione differenziale ∆CO2 è
stata determinata la percentuale complessiva di insoddi-
stata assunta pari a 350 ppm, corrispondente a PPD ref
sfatti PPDTOT in condizioni termo-igrometriche arbitrarie.
= 7%, valore che la norma UNI EN 13779: 2008 con-
Il procedimento è illustrato nel dettaglio nell’appendice B
sidera tipico della classe di qualità IDA 1 (la migliore).
(equazioni [B.9] e [B.10]).
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500, 800 e 1000 ppm (verdi con simbolo ♦).
Nell’intervallo compreso fra PMV = +0,7 e PMV = -0,7
le curve di questa famiglia mostrano una buona sovrap-
ponibilità con la curva identificata da Toftum et al. 1998
(in turchese) come limite per contenere al livello del
15% i probabili disturbati da problemi respiratori in
ambienti umidi.
Figura 5: Percentuale di insoddisfatti in
funzione della temperatura e dell’umidità
relativa - ∆CO2 = 350 ppm
L a
Figura 7: Curve limite di accettabilità per l’IAQ
Questa buona coincidenza ribadisce l’importanza di inte-
grare gli attuali limiti di accettabilità termica contenuti
nella norma UNI EN ISO 7730: 2006, con un ulteriore
limite che escluda condizioni ambientali calde-umide,
Figura 6: Percentuale di insoddisfatti in attualmente ritenute accettabili ma di fatto spesso fonte di
funzione della temperatura e dell’umidità forti lamentele. Ad ulteriore supporto di questa conclusio-
relativa - ∆CO2 = 700 ppm ne possono essere invocate altre due curve limite di accet-
tabilità: 1) quella implicata dalla raccomandazione conte-
Figura 6 presenta l’analogo risultato ottenuto assumendo nuta nel punto 5.2.2. dello standard ANSI/ASHRAE
una concentrazione differenziale ∆CO2 = 700 ppm, che 55:2010 “Systems designed to control humidity shall be
corrisponde a PPDref = 13%, ed è indicato nello standard able to maintain a humidity ratio at or below 0.012,
ANSI/ASHRAE 62.1:2010 come limite indicativo di accet- which corresponds to a water pressure of 1910 Pa at stan-
tabilità in ambienti privi di particolari requisiti. La fortissi- dard pressure”; 2) quella associata alla transizione fra
ma somiglianza fra le due figure indica che fintantoché la “comfortable” e “slightly uncomfortable” dell’indice
concentrazione differenziale ∆CO2 è contenuta, sono le meteorologico Humidex [Masterton e Richardson, 1979].
quantità termo-igrometriche a fare la differenza. Entrambe, pur considerando l’effetto delle quantità termo-
Entrambe le figure mostrano infatti chiaramente come la igrometriche soltanto sul comfort termico, e quindi igno-
qualità dell’aria peggiori molto rapidamente quando la rando l’impatto sulla qualità dell’aria, indicano chiaramen-
temperatura e l’umidità ambientali sono entrambe alte. In te l’inaccettabilità di condizioni caldo-umide (indicativa-
queste condizioni la sensibilità olfattiva viene amplificata, mente 24°C < ta < 26°C, RH > 60%, vedi Figura 8).
e contemporaneamente l’umidità della pelle diviene
molto alta, conducendo ad una pronunciata proliferazione
batterica, a sua volta determinante per una forte emissione
di sostanze odorigene.
La curva limite di accettabilità IAQ-termica
Il secondo risultato di questo studio è rappresentato dalla
possibilità di calcolare, per ciascun valore di ∆CO2, una
curva di “iso-disturbo”, ovvero una curva lungo la quale
viene mantenuta la stessa percentuale di insoddisfatti, in
diverse condizioni termo-igrometriche ambientali.
Facendo variare la concentrazione differenziale ∆CO2 è Figura 8: Alcune curve limite di accettabilità per il
possibile pertanto tracciare una famiglia di curve limite di comfort termico
accettabilità. La Figura 7 mostra la famiglia delle curve
La Figura 9 mostra una possibile curva limite di accet-
limite calcolate assumendo un limite di accettabilità PPD
tabilità integrata IAQ&termica, ottenuta come media fra
= 10%, per concentrazioni differenziali ∆CO2 = 300,
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la curva limite dell’IAQ ricavata in questo studio per ria sarebbe di 90 ppm, un valore che richiederebbe una
PPD = 10% e ipotizzando una concentrazione diffe- portata d’aria di oltre 650 m3/h del tutto irrealistica.
renziale ∆CO2 = 700 ppm, e la curva limite dei proble- E’ quindi essenziale ridurre l’entalpia dell’aria, e il risul-
mi respiratori [Toftum et al., 1998] per PPD = 15%. tato è più facilmente conseguito attraverso una robusta
de-umidificazione, possibilmente accompagnata da una
riduzione, anche modesta, della temperatura.
Figura 9: Curva limite integrata IAQ e comfort termico
La curva limite integrata è pressoché parallela alla curva
Figura 10: Esempio 1, violetto - misurato, verde - suggerito
limite di applicabilità del metodo PMV (verde, con label
“UNI EN ISO 7730”), che attualmente svolge anche il Mediante un semplice algoritmo (vedi appendice D,
ruolo di limite superiore di accettabilità dell’umidità rela- equazioni [D.1] e [D.2]) è possibile identificare una con-
tiva, ma è drasticamente traslata verso umidità inferiori, dizione di arrivo (ta = 24,6°C e RH = 38,7%), che da
con ∆RH ≈ -50%. Si tratta naturalmente di un semplice un lato conduce ad una soddisfacente qualità dell’aria
esempio, in quanto il valore di 700 ppm assunto per (PPD = 7,3%) con una portata di soli 86 m3/h, e al
∆CO2 è del tutto ipotetico, essendo dipendente dal nume- tempo stesso produce un eccellente comfort termico
ro di soggetti presenti, dalla loro attività e dalla ventilazio- (PMV = 0,04). Incidentalmente, da un punto di vista
ne; parimenti, il valore PPD = 10% assunto come limite strettamente termo-igrometrico, la condizione di parten-
di accettabilità va rivisto al rialzo o al ribasso a seconda za (ta = 25,5°C e RH = 58%), mostrata nella Figura 10
della classe di qualità assegnata alla situazione in esame. insieme a quella di arrivo, risultava già accettabile (PMV
= 0,43 a fronte del limite PMVmax = 0,5 adeguato alla
Esempi classe B identificata per la situazione in esame).
Esempio 1
Esempio 2
Analizziamo un ambiente di ufficio dove tre soggetti di 40
- 50 anni senza particolari patologie svolgono il loro lavo- Analizziamo un ambiente posto in una casa di riposo dove
ro di ricercatori. Le condizioni termo-igrometriche misura- diversi soggetti di età compresa fra 70 e 80 anni stanno
te sono ta = 25,5°C e RH = 58%. Per l’individuazione guardando la televisione. Le condizioni termo-igrometri-
della concentrazione differenziale limite viene richiesta che misurate sono ta = 26,3°C e RH = 46%. In questa
la classificazione dell’ambiente, e quest’ultima a sua situazione i tre fattori, di sensibilità individuale, delicatez-
volta richiede che vengano specificati tre fattori, ovvero za del compito e manipolabilità tecnica assumono questi
sensibilità individuale FS, delicatezza del compito FA e valori: FS = 7,1, FA = 8, FT = 10 [Del Gaudio et al., 2009].
manipolabilità tecnica FT. Nella situazione in esame tali Il punteggio complessivo è FC = 4196, al quale in con-
fattori assumono questi valori: FS = 5, FA = 8, FT = 10 dizioni termo-igrometriche standard risultano associati
[Del Gaudio et al., 2009]. Il punteggio complessivo è un limite di accettabilità dell’IAQ ∆CO2 = 398 ppm
F C = 2339, al quale in condizioni termo-igrometriche [Freda et al., 2010] e una percentuale prevista di insod-
standard risultano associati un limite di accettabilità disfatti massima accettabile PPDref = 8% [CEC, 1992].
dell’IAQ ∆CO 2 = 523 ppm [Freda et al., 2010] e una
percentuale prevista di insoddisfatti massima accetta-
bile PPD ref = 10% [CEC, 1992]. Nelle condizioni termo-
igrometriche misurate, sia la sensibilità olfattiva sia l’emis-
sione di sostanze bio-effluenti sono amplificate a causa del-
l’elevata temperatura e dell’elevata umidità relativa. Ciò
implica che ad una concentrazione differenziale di 523
ppm corrisponde una percentuale di insoddisfatti del
58,4%. Per riportare la PPD al livello limite del 10% stabi-
lito in precedenza senza alterare le condizioni termo-igro-
metriche, la concentrazione differenziale di CO2 necessa-
Figura 11: Esempio 2, violetto - misurato, verde - suggerito
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Nelle condizioni termo-igrometriche misurate, sia la sensi- • L’integrazione dei fattori termo-igrometrici all’interno del
bilità olfattiva sia l’emissione di sostanze bio-effluenti sono criterio di accettabilità della qualità dell’aria introduce di
amplificate a causa principalmente dell’elevata temperatura. fatto un limite superiore di accettabilità dell’umidità rela-
Ciò implica che ad una concentrazione differenziale di tiva che varia approssimativamente fra il 30% a 26°C e il
398 ppm corrisponde una percentuale di insoddisfatti del 50% a 22°C, non lontano da quello deducibile sulla base
29,2%. Per riportare la PPD al livello limite dell’8% stabi- di studi relativi alla prevenzione di problemi respiratori.
lito in precedenza, la concentrazione differenziale di CO2 E’ quindi auspicabile l’introduzione di un limite superio-
necessaria sarebbe di 109 ppm, un valore che richiedereb- re di accettabilità dell’umidità relativa, attualmente non
be una portata d’aria di oltre 570 m3/h del tutto irrealisti- contemplato nella vigente normativa sul comfort termico.
ca. Anche in questo caso bisogna quindi operare per ridur- • Mediante un semplice algoritmo “compensativo” è pos-
re l’entalpia dell’aria, e il risultato è più facilmente conse- sibile identificare una condizione termo-igrometrica
guito attraverso una de-umidificazione accompagnata da che garantisce condizioni di comfort termico, ottimiz-
una riduzione della temperatura. L’algoritmo di ottimizza- zando la quantità d’aria da immettere nell’ambiente.
zione (equazioni [D.1] e [D.2]) produce una condizione di
arrivo (ta = 25,2°C e RH = 36%) che consente di giunge- Bibliografia
re ad una soddisfacente qualità dell’aria (PPD = 5,6%)
ANSI/ASHRAE 55:2010. Thermal environmental conditions for
con una portata di 109 m3/h, e con PMV = 0,18 risulta
human occupancy. American Society of Heating, Refrigerating
compatibile con il severo limite PMVmax = 0,2 associato
and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, GA, U.S.A.
alla classe A attribuita alla situazione in esame. Entrambe
le condizioni, di partenza (misurate) e di arrivo (suggerite), ANSI/ASHRAE 62.1:2010. Ventilation for acceptable Indoor
sono mostrate nella Figura 11. Fra l’altro con PMV = 0,57 la air quality. American Society of Heating, Refrigerating and
condizione di partenza risultava largamente fuori norma Air-Conditioning Engineers, Atlanta, GA, U.S.A.
anche solo dal punto di vista strettamente termo-igrometrico. Berglund, L., Cain, W.S., 1989. Perceived air quality and
the thermal environment. Proceedings of IAQ’89, San
Conclusioni Diego, CA, U.S.A., 345 - 350.
• I limiti di accettabilità relativi alla qualità dell’aria in Berg-Munch, B., Fanger, P.O., 1982. The influence of air
ambienti a prevalente inquinamento antropico, come temperature on the perception of body odour.
attualmente indicati nella normativa tecnica, sono Environment International, 8, 333 - 335.
assai difficilmente applicabili. E’ infatti necessario sta- Cain, W.S., Leaderer, B.P., Isseroff, R., Berglund, R.G.,
bilire quale sia il descrittore più adeguato e quale sia Huey, R.J., Lipsitt, E.G., Perlman, D., 1983. Ventilation
la classe di qualità dell’ambiente; inoltre si deve tener requirements in buildings - I: Control of occupancy odour
conto delle effettive condizioni termo-igrometriche and tobacco smoke odour. Atmospheric Environment, 17,
ambientali. 1193 - 1197.
• L’effetto delle condizioni termo-igrometriche ambienta- CEC, 1992. Guidelines for ventilation requirements in
li sulla qualità dell’aria si manifesta sia attraverso la sen- buildings, Report n.11, European Concerted Action
sibilità olfattiva, sia attraverso l’emissione delle sostan- Indoor Air Quality and its Impact on Man. Commission of
ze odorigene di origine antropica. L’effetto della sensi- the European Communities, Brussels, Belgium.
bilità olfattiva può essere quantificato con la stessa Clausen, G., Fanger, P.O., Cain, W.S., Leaderer, B.P.,
metodica utilizzata in letteratura per sostanze di origine 1985. The influence of ageing, particle filtration and
non antropica. L’effetto dell’emissione delle sostanze humidity on tobacco smoke odour. Proceedings of Clima
odorigene è stato invece quantificato in questo studio 2000, Copenhagen, vol. 4, 345 - 349.
analizzando il processo biologico di degradazione bat-
Del Gaudio, M., Freda, D., Lenzuni, P., 2009. La classifi-
terica dei prodotti cellulari. Entrambi questi effetti pos-
cazione degli ambienti termici. Giornale degli Igienisti
sono essere espressi mediante concentrazioni differen-
Industriali, 34 (2), 186 - 197.
ziali equivalenti di CO2, ovvero le concentrazioni che,
in condizioni di riferimento, produrrebbero gli stessi Fang, L., Clausen, G., Fanger, P.O., 1998. Impact of
esiti delle condizioni termo-igrometriche. Temperature and Humidity on the perception of Indoor
• Il risultato finale è esprimibile in due modalità: 1) Air Quality. Indoor Air, 8, 80 - 90.
mediante il valore di PPD determinato dalla concentra- Fang, L., Wyon, D.P., Clausen, G., Fanger, P.O., 2004.
zione differenziale di CO2, dalla temperatura e dal- Impact of indoor air temperature and humidity in an office
l’umidità dell’aria; 2) in senso inverso mediante la con- on perceived air quality, SBS symptoms and performance.
centrazione differenziale di CO2 che garantisce, in con- Indoor Air, 14, 74 - 81.
dizioni termo-igrometriche qualsiasi, una qualità del- Fiala, D., Lomas, K.J., Stohrer, M., 1999. A computer
l’aria con lo stesso grado di accettabilità che si ha in model of human thermoregulation for a wide range of
condizioni termo-igrometriche di riferimento secondo environmental conditions: the passive system. J. Appl.
la normativa tecnica. Physiol., 87 (5), 1957 - 1972.
© The Italian Association of Industrial Hygienists - AIDII [2012] Ital. J. Occup. Environ. Hyg., 2012, 3(3) | 149
Italian Journal of Occupational and Environmental Hygiene PAPERS Fiala, D., Lomas, K.J., Stohrer, M., 2001. Computer predic- tion of human thermoregulatory and temperature respon- ses to a wide range of environmental conditions. International Journal of Biometeorology, 45 (2), 143 - 159. Freda, D., Del Gaudio, M., Lenzuni, P., 2010. La qualità del- l’aria in ambienti antropizzati - descrittore e valori limite. Italian Journal of Occupational and Environmental Hygiene, 1 (1), 33 - 39. Gunnarsen, L., Fanger, P.O., 1992. Adaptation to indoor air pollution. Environment International, 18, 43 - 54. Gwosdow, A.R., Nielsen, R., Berglund, L.G., Dubois, A.B., Tremml, P.G., 1989. Effect of thermal conditions on the acceptability of respiratory protective devices on humans at rest. American Industrial Hygiene Association Journal, 50 (4), 188 - 195. Masterton, J.M., Richardson, F.A., 1979. Humidex, a method of quantifying human discomfort due to excessive heat and humidity. CLI 1-79, Environment Canada, Atmospheric Environment Service, Downsview, Ontario, Canada. Toftum, J., Jørgensen, A.S., Fanger, P.O., 1998. Upper limit for air humidity for preventing warm respiratory discomfort. Energy and Buildings, 28 (3), 15 - 23. UNI EN 13779: 2008. Ventilazione degli edifici non resi- denziali - Requisiti di prestazione per i sistemi di ventila- zione e di climatizzazione. UNI - Ente Nazionale Italiano di Unificazione, Milano. UNI EN ISO 7730: 2006. Ergonomia degli ambienti termi- ci - Determinazione analitica e interpretazione del benes- sere termico mediante il calcolo degli indici PMV e PPD e dei criteri di benessere termico locale. UNI - Ente Nazionale Italiano di Unificazione, Milano. 150 | Ital. J. Occup. Environ. Hyg., 2012, 3(3) © The Italian Association of Industrial Hygienists - AIDII [2012]
PAPERS Italian Journal of Occupational and Environmental Hygiene
APPENDICE A - Algoritmo di compressione del giudizio di accettabilità
L’algoritmo [Fang et al., 1998] che calcola l’accettabilità
Acc = Acc ref − 0,0247 × (E − E ref )− 0,0416Acc ref × (E − E ref ) [A.1]
produce, per particolari combinazioni di temperatura ed umidità, sia valori superiori ad 1 che valori inferiori a -1.
Per eliminare questa inconsistenza con la scala di accettabilità (Figura 1), detto x il valore calcolato mediante l’equa-
zione [A.1], l’accettabilità è stata ri-calcolata mediante la semplice espressione
1/8
x8
Acc= 8
[A.2]
1+x
che vale x per |x| ≤ 0,95 (entro il 6%), e converge asintoticamente ad 1 per |x| > 0,95.
APPENDICE B - Sequenza logica per il calcolo di PPDTOT
B.1 Sintesi
1. Calcolare la percentuale di insoddisfatti PPDref che, in condizioni termo-igrometriche di riferimento, è associata ad
una data concentrazione differenziale ∆CO 2;
2. Calcolare l’accettabilità Accref corrispondente al valore PPDref;
3. Ricavare, per una specifica condizione termo-igrometrica, l’accettabilità determinata dalla mutata sensibilità olfattiva;
4. Determinare la relativa percentuale di insoddisfatti PPDsens e la concentrazione differenziale equivalente ∆CO 2 che,
tenendo conto della mutata sensibilità olfattiva, produrrebbe la percentuale di insoddisfatti PPDref;
5. Ricavare l’emissione di sostanze odorigene bio-effluenti per una specifica condizione termo-igrometrica;
6. Determinare il fattore di modulazione dell’emissione femiss e la concentrazione differenziale equivalente ∆CO 2 che,
tenendo conto della mutata immissione di sostanze odorigene nell’ambiente, produrrebbe la percentuale di insoddi-
sfatti PPDref;
7. Calcolare, combinando le due concentrazioni differenziali equivalenti determinate al punto 4 e al punto 6, la con-
centrazione differenziale (∆CO 2)TOT che produce, nella specifica condizione termo-igrometrica presa in considera-
zione, la stessa percentuale di insoddisfatti PPDref che si osserva in condizioni di riferimento alla concentrazione
∆CO 2;
8. Determinare la percentuale di insoddisfatti PPDTOT associata a (∆CO 2)TOT.
Diventa dunque centrale il concetto di concentrazione differenziale equivalente di CO2 quale indicatore normalizzato
dell’effetto di un meccanismo, applicato sia al processo percettivo sia al processo emissivo delle sostanze odorigene.
B.2 Condizioni di riferimento (punto 1 e punto 2)
La relazione che lega la percentuale prevista di insoddisfatti alla concentrazione differenziale di CO2 in condizioni
termo-igrometriche di riferimento [CEC, 1992] può essere ben approssimata mediante una semplice forma funzionale
del tipo
β
∆CO 2
PPD = 100 × 1 − exp − [B.1]
α
Una semplice procedura di best fit consente di ricavare i valori α = 7300 ppm e β = 0,86. Si ottiene così l’espressio-
ne della percentuale di insoddisfatti PPD associata, in condizioni termo-igrometriche di riferimento, ad una data con-
centrazione differenziale ∆CO 2
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0,86
∆ CO 2
PPD ref = 100 × 1 − exp − [B.2]
7300
Invertendo l’algoritmo di Gunnarsen e Fanger 1992, si ricava poi l’accettabilità che corrisponde alla percentuale di
insoddisfatti in condizioni di riferimento
PPD ref
ln − 0,18
100 − PPD ref
Acc ref = [B.3]
5,28
B.3 Impatto della temperatura e dell’umidità sulla sensibilità olfattiva (punto 3 e punto 4)
L’accettabilità in condizioni termo-igrometriche qualsiasi viene calcolata con l’algoritmo [Fang et al., 1998]
Acc = Acc ref − 0,0247 × (E − E ref )− 0,0416Acc ref × (E − E ref ) [B.4]
(equazione [1] del testo) dove E = E(ta, RH) è l’entalpia dell’aria, Eref = 45,39 KJ/kg è l’entalpia in condizioni di riferi-
mento ed Accref è l’accettabilità in condizioni di riferimento calcolata mediante l’equazione [B.3]. Utilizzando nuova-
mente l’algoritmo di Gunnarsen e Fanger 1992, dall’accettabilità si deduce la corrispondente percentuale di insoddi-
sfatti che tiene conto della mutata sensibilità olfattiva
exp (−0,18 −5,28Acc )
PPDsens_olf = 100 × 1+ exp (−0,18 −5,28Acc ) [B.5]
Infine è immediato, invertendo l’equazione [B.2], ricavare la concentrazione differenziale equivalente di CO 2
PPDsens_olf 1,16
(∆CO2 )sens_olf = −7300 × ln 1 −
100
[B.6]
ovvero la concentrazione che, in condizioni di riferimento, produrrebbe la percentuale di insoddisfatti PPDsens_olf
B.4 Impatto della temperatura e dell’umidità sull’emissione dei bio-effluenti (punto 5 e punto 6)
L’analisi del processo emissivo delle sostanze bio-effluenti (vedi appendice C) ha condotto a risultati ben approssima-
bili mediante la relazione analitica
t − t ref 0,4
f emiss = e 16,7 × RH [B.7]
RH ref
che consente di stimare il fattore di modulazione dell’emissione femiss in funzione delle variabili ambientali.
Nell’equazione [B.7] tref ed RHref sono la temperatura e l’umidità relativa dell’aria in condizioni di riferimento. Poiché
l’emissione di CO 2 non dipende dalla temperatura e dall’umidità ambientale, la concentrazione differenziale equiva-
lente di CO 2 associata alla variazione dell’emissione è semplicemente
(∆CO 2 )emiss = ∆CO 2 × f emiss [B.8]
B.5 Calcolo della percentuale di insoddisfatti in condizioni termo-igrometriche qualsiasi (punto 7 e punto 8)
La concentrazione differenziale equivalente di CO 2 complessiva vale
(∆CO 2 )tot = (∆CO 2 )sens_olf × f emiss [B.9]
Infine, la percentuale di insoddisfatti della qualità dell’aria, in condizioni termo-igrometriche qualsiasi, si ottiene come
0,86
(∆CO 2 )tot
PPD TOT = 100 × 1 − exp − [B.10]
7300
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APPENDICE C - Derivazione della relazione fra fattore di emissione delle sostanze odorigene e variabili ambientali
L’espressione del fattore di modulazione dell’emissione in funzione delle variabili termo-igrometriche ambientali è stata
eseguita in due fasi. Nella prima la temperatura e l’umidità della pelle sono state calcolate mediante il modello fisiolo-
gico di Fiala [Fiala et al., 1999; Fiala et al., 2001] per diverse combinazioni di ta, RH e metabolismo. I risultati mostra-
no che fintantoché le condizioni non sono troppo lontane dal comfort, le variazioni della temperatura della pelle sono
minime. Al contrario, l’umidità della pelle mostra variazioni molto significative, raggiungendo valori prossimi al 100%
per ta = 28°C, RH > 50%. Si è quindi optato per mantenere l’umidità della pelle come unico descrittore fisiologico.
La relazione fra umidità della pelle e variabili ambientali è stata approssimata mediante l’espressione analitica
t a − t ref 0,6
× RH
RH sk [C.1]
∝e
RH ref
10
RH sk_ref
Seguendo lo standard ANSI/ASHRAE 62.1:2010 abbiamo assunto che la ventilazione richiesta e quindi l’emissione di
sostanze odorigene, sia linearmente proporzionale all’attività metabolica. Nella seconda fase abbiamo pertanto analizzato
i valori di umidità della pelle ottenuti con diversi valori di metabolismo, a parità di valori termo-igrometrici ambientali.
I risultati mostrano con buona approssimazione una relazione del tipo
2/3
RH sk [C.2]
f emiss ∝ RH sk_ref
Combinando le due equazioni [C.1] e [C.2] si è infine ottenuta la desiderata relazione fra il fattore di modulazione
dell’emissione e le variabili ambientali
t − t ref 0,4
f emiss = e 16,7 × RH
RH ref [C.3]
riportata nel testo come equazione [2].
APPENDICE D - Identificazione delle condizioni termo-igrometriche ottimali
Nell’ambito di una corretta gestione del comfort, è essenziale identificare le condizioni termo-igrometriche che consen-
tano di garantire simultaneamente e con impegni impiantistici accettabili, condizioni di accettabilità sia riguardo alla
qualità dell’aria sia riguardo al comfort termico. L’ottimizzazione delle condizioni termo-igrometriche è stata ottenuta
mediante le due equazioni
(∆CO 2 )req
0,5
t a −finale = 24 + (t a −iniziale − 24 )× [D.1]
(∆CO 2 )limite
(∆CO 2 )req
0,5
RH finale = 25 + (RH iniziale − 25 )× [D.2]
(∆CO 2 )
limite
La quantità ∆(CO 2)req è la concentrazione differenziale che verrebbe richiesta per garantire l’accettabilità in assenza di
correzioni termo-igrometriche. Essa può essere calcolata mediante l’algoritmo
7300 PPD ref 1,16
(∆CO 2 )req = − × ln 1−
ppm [D.3]
PPD TOT 100
PPD ref
dove PPDref e PPDTOT sono calcolati rispettivamente nelle equazioni [B.2] e [B.10].
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La quantità ∆(CO 2)limite che compare nelle equazioni [D.1] e [D.2] è la concentrazione differenziale limite, per lo spe-
cifico ambiente considerato, in condizioni termo-igrometriche standard. Essa può essere calcolata mediante l’algoritmo
(∆CO 2 )limite = 300 + 465 × 4 − log (FC )
1,6
ppm [D.4]
([Freda et al., 2010], equazione 2), dove
FC = FS5/3 × FA4/3 × FT [D.5]
([Freda et al., 2010], equazione 1) è il punteggio dell’ambiente considerato [Del Gaudio et al., 2009].
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