Comfort

1. Introduzione
2. Concetto di Comfort Generalizzato
3. Sistemi Sensoristici
4. Modellistica Matematica Del Comfort Termico
   1. Bilanci Energetici Umani
   2. Modello RAMS
5. Progettazione e Realizzazione di Sistemi Sensoristici
   1. Strumenti e sistemi
   2. Realizzazione prototipo

Introduzione

Il progetto LaMMA-TEST concentra le sue attività del settore confort sulle seguenti tematiche:

• Progettazione e realizzazione di sistemi tessili individuali per il monitoraggio delle temperature superficiali di pelle e indumento
• Verifica in campo del comfort di capi per abbigliamento invernale
• Engineering support per la progettazione di abbigliamento sportivo in relazione al fenomeno della traspirazione
• Verifica del comfort per abbigliamento e tessuti realizzati in fibre naturali
• Analisi di tipo sensoriale in modalità panel per intimo.

La tipologia delle misurazione ambientali in campo biometeorologico ha come fine principale quello di stabilire i nessi fra i processi fisiologici degli organismi e lo stato fisico generale dell’ambiente in cui essi vivono. La distinzione classica fra organismi viventi omeotermi e eterotermi è, rispettivamente, se la loro temperatura corporea dipende principalmente dalla propria attività metabolica o da meccanismi passivi di adattamento alla temperatura dell’aria. Questo tipo di variabilità che negli esseri viventi si lega anche ad altre loro proprietà, sottintende una varietà di processi di scambio del calore con l’ambiente e rende attuale lo sviluppo della biometeorologia, aldilà delle considerazioni puramente legati alle dinamiche atmosferiche. Focalizzando l’attenzione alla biometeorologia umana oggi è possibile effettuare il bilancio energetico del corpo tenendo conto dell’attività metabolica e del valore dei parametri micrometeorologici come la temperatura, la radiazione incidente, l’umidità atmosferica e la velocità degli eventuali flussi d’aria che investono il corpo stesso.

L’abbigliamento rappresenta la principale interfaccia dell’uomo con l’ambiente fisico, esso gioca un ruolo decisivo sullo stato del benessere termoigrometrico. Il ruolo dei vestiti assume diversi significati per le persone: culturali, d’identità con il corpo sociale di appartenenza o con il proprio stato personale ed emotivo, ma irriducibilmente rappresenta lo strumento grazie al quale viene raggiunto anche l’equilibrio energetico necessario al mantenimento di un adeguato comfort per svolgere la propria attività. La tipologia di abbigliamento influisce direttamente o indirettamente sui processi di dispersione del calore e quindi sulla dinamica dei processi di termoregolazione. Lo sviluppo di una adeguata sensoristica da applicare su manichini o direttamente in vivo è capace di porre le basi a simulazioni realistiche del comportamento energetico del corpo umano in funzione del suo abbigliamento e permette di stabilire e ricercare le caratteristiche ottimali per i vari ambienti microclimatici. La biometeorologia, forte delle sue competenze nel campo della micrometeorologia, può dare un grande contributo, specialmente per ambienti outdoor, in questo particolare campo della ricerca. Lo sviluppo dei cosiddetti indici di benessere nascono come parametri squisitamente biometeorologici ed hanno avuto una grande diffusione proprio a partire dalle ricerche sul potenziale disagio provocato dall’azione congiunta di temperatura, umidità e vento. Nel suo percorso invece la ricerca sulla valutazione del comfort termoigrometrico degli indumenti fa parte storicamente del campo dell’ergonomia, scienza che studia tutte le specifiche interazioni fra oggetti, ambienti e attività umane.

All’interno di questa disciplina le caratteristiche dei vestiti sono analizzate a livello di tessuto tramite le misure di resistività termica e traspirativa. A ciascun tipo tessuto è possibile associare un determinato valore di questi parametri. Inoltre secondo gli attuali standard ISO sono largamente utilizzati indici basati sul bilancio di energia quali il Predicted Mean Vote (PMV), i quali forniscono una scala di disagio generale in funzione del bilancio netto di calore di un corpo umano. La risposta e il tipo di disagio è fatto in letteratura su base statistica rispetto a campioni rappresentativi di popolazione.

Le valutazioni tecniche sull’abbigliamento a livello industriale oggi sono fatte su base standard. Questo permette il vantaggio dell’identificazione rapida delle caratteristiche dei tessuti, ma limita il fornire risposte individualizzate. Per ovviare a questo aspetto molti centri di ricerca industriale hanno sviluppato una modellistica appropriata, basata su principi fisiologici e biofisici, che permette di ottenere bilanci di energia locali nelle varie parti del corpo in relazione a specifici capi di abbigliamento. La valutazione globale del confort è vista in questo modo come somma aggregata dei disagi locali nelle varie parti del corpo. Lo sforzo della ricerca attuale è quella di arrivare ad una possibile migliore valutazione del disagio locale e in modalità personalizzabile.

Questo non toglie il valore indicativo degli indici globali quali il PMV e il clothing di un insieme di vestiti come indicatori del comfort termico termoigrometrico per tutta una serie di applicazioni. La possibilità concreta di capire come orientare le proprietà fisico-meccaniche dei tessuti usati per la confezione di vestiti può fornire un differenziale tecnologico da utilizzare in ambito internazionale per vincere le sfide poste dalla concorrenza nei mercati.

Il Concetto di Comfort generalizzato

Il bisogno primario dell'uomo di vestirsi si è venuto modificando nel tempo perché le fibre impiegate sono cambiate, perché la struttura dei filati, dei tessuti e del loro finissaggio è radicalmente mutata. Il benessere ed il comfort, prima elementi connaturati con un certo tipo di prodotto tessile, quasi casuali, sono diventati elementi decisivi per l'apprezzamento ed il successo stesso dei prodotti, da progettare fin dall'inizio del concepimento del particolare capo.Oggi inoltre si progettano e si realizzano sempre più spesso prodotti multi funzionali, per i quali cioè devono coesistere e convivere prestazioni anche contrastanti tra di loro, come ad esempio l'impermeabilità all'acqua e la permeabilità all'aria, così come la forte resistenza abbinata alla morbidezza. Chiaramente le fibre hanno un ruolo centrale, così come per i tessuti nati e sviluppati espressamente per assicurare il comfort, ma altrettanto importanti, soprattutto in alcune applicazioni specifiche, sono i trattamenti di nobilitazione per conferire prestazioni che di per sé il tessile non avrebbe.Mantenere il corretto equilibrio tra corpo umano e ambiente esterno in relazione all'attività fisica svolta è la caratteristica peculiare che i prodotti tessili devono possedere, unitamente a qualità e protezione.

Nella definizione generale di comfort si evidenziano differenti componenti come quella:

• fisiologica,
• fisico-chimica,
• psicologica.

Si accentua così più la mancanza di comfort che non una sua presenza positiva. Sono state realizzate numerose ricerche per individuare le cause e gli elementi di mancanza di comfort specificatamente rivolte al tessile. Per le materie prime ha un ruolo fondamentale la struttura chimico-macromolecolare della fibra come finezza e sezione, per il filato vengono presi in considerazione titolo, torsione e pelosità, per la superficie tessile la struttura e il processo di nobilitazione, per finire con l'abito dove l'attenzione si sposta su foggia e dimensioni

Si devono quindi progettare le fibre, i filati, le superfici, gli indumenti che abbiano i valori voluti dei parametri considerati decisivi per il comfort. Questo è oggi ancora molto difficile perché rimane una forte soggettività. Si deve quindi riuscire a individuare le grandezze sensibili, significative, a misurarle, a stabilire i valori ottimali (o dei valori di soglia), per passare poi al progetto per poter ottenere il tessile le cui caratteristiche rispondano appunto ai valori ottimali.

Le principali aree di ricerca per realizzare questo processo riguardano:

• le caratteristiche di trasporto (liquidi, gas),
• le caratteristiche di contatto con la pelle (mano),
• le caratteristiche di drappeggio e di confezionabilità dei tessuti.

A questo riguardo sono da prendere in considerazione tutti gli aspetti fisici del comfort quali:

1. proprietà termiche:
   • trasmissione del calore.
   • protezione termica.
   • trasmissione di vapore-umidità.
   • permeabilità all'umidità.
   • fattori influenti nella permeabilità al vapore.
   • trasmissione di liquido-umidità.
   • idrorepellenza ed assorbimento d'acqua.
   • misura delle caratteristiche d'umidità.
2. fattori che influenzano la trasmissione dei liquidi e dell'umidità:
   • permeabilità all'aria.
   • test di permeabilità all'aria.
   • correlazione tra permeabilità ed altri fattori.
   • taglia e foggia dei capi.
3. elettricità statica:
   • misura della propensity elettrostatiche.
   • effetti dell'elettricità statica.
   • riduzione del carico elettrostatico.
4. rumore:
   • impiego del tessile per combattere il rumore.

I Sistemi Sensoristici

Progettazione e realizzazione di sistemi rapidi per la misura della termicità dei tessuti a disposizione delle PMI della filiera T/A in Toscana.

Per il consumatore oggi esiste una variegata offerta di manufatti e di prodotti della filiera tessile–abbigliamento (T/A), che nei relativi processi produttivi tiene sempre conto di questo fondamentale assunto: il vestito nasce innanzitutto per coprire e per proteggere dalla variabilità microclimatica degli ambienti in cui le persone vivono, lavorano o comunque trascorrono una fetta significativa del loro tempo. Coniugare esigenze di stile, di design e di prestazione sono il bagaglio culturale e professionale che fa di un’impresa un serbatoio di conoscenze, che si stratifica e cresce alla luce della continua innovazione nella ricerca di nuovi materiali e di nuovi processi di lavorazione della fibra e dei tessuti.

Questa consapevolezza riemerge in maniera forte specialmente in quei settori di mercato in cui la richiesta di funzionalità dell’indumento diventa una discriminante di marketing. Il settore dello Sportwear e in quello tecnico degli indumenti da lavoro sono fra i primi storicamente ai quali si rivolgono specificatamente le problematiche del comfort termico.

Il recente e progressivo sviluppo della normativa UNI e EN ISO relativa alla produzione di indumenti con requisiti propri per il comfort è un fedele specchio di come nel settore tessile questo tipo di problematica è sempre più preso in considerazione.

Il mercato attuale, con il progressivo affermarsi di stili di vita diversi che abbraccia classi di età diversi, vede allargare i settori in cui la richiesta di requisiti minimi in termini di comfort termico e traspirabilità dei capi di abbigliamento è destinata crescere.

La proposta di una rete di ricerca è quella di intervenire mettendo a disposizione una serie di strumenti operativi per la valutazione dei tessuti e dei capi, associati ad un protocollo di ricerca, in modo tale da assicurare un giudizio il più possibile oggettivo, relativo al comfort termico, capace di essere un vero e proprio driver, nella ricerca precompetitiva e nella fase di test, per soluzioni innovative nella scelta dei materiali e nella ergonomia del capo.

La strumentazione sostenibile per PMI pratese vede lo sviluppo di sensoristica portatile di rapido impiego con adeguato supporto software, frutto di una modellistica già messa a punto all’interno di progetti più complessi e articolati.Una ulteriore chiave di lettura della ricerca sul comfort termico intrapresa nel progetto LaMMA-TEST, e resa disponibile alla comunità delle imprese, è l’opportunità di migliorare la comunicazione commerciale e l’identità dei suoi prodotti utilizzando le misure e i risultati della ricerca in questo settore, favorendo una opera di divulgazione dei principi del phisiologically correct .

L’attenzione ai temi più medici del comfort ha raggiunto la sua maturità, che si evince dallo sviluppo del settore wellness e fitness, ormai dati culturali assodati dello stile di vita tipico della società occidentale e delle classi emergenti nei paesi a forte sviluppo economico. Questo è quel valor aggiunto capace di contribuire in maniera sensibile al valore immaginifico che ha fatto la fortuna del Made in Italy. All'interno del progetto LaMMA-TEST e della rete del progetto ISATEM è stato realizzato un prototipo di uno strumento, denominato ALADIN.

ALADIN ha la funzione di supporto nel protocollo di valutazione delle proprietà di comfort termico di un tessuto, valutato in funzione del suo grado di isolamento intrinseco, Rcl, misurabile in m2KW-1, come definito dalla normativa UNI-EN-ISO 9920 (mar. 2004) e descritto da vari autori. La sua calibrazione e la sua modellazione sono attualmente in carico a I2T3 e IBIMET con i propri collaboratori al progetto.

Lo strumento agisce valutando la termicità di un oggetto coprente in maniera differenziale fra due piastre di flusso, poste su un supporto tenuto a temperatura omogenea da un termostato.

1. Posizionando il capo o il tessuto nello strumento, come indicato dalla figura successiva, dalla differenza di flusso delle due piastre misuriamo l'isolamento intrinseco del tessuto.
2. Un rilevatore termometrico ad infrarosso fornisce, inoltre, la temperatura superficiale raggiunta dal tessuto.

Modellistica Matematica Del Comfort Termico

Sviluppo della personalizzazione dei bilanci energetici umani.

Dalla costituzione del LaMMA-TEST l’esperienza sullo studio delle applicazioni biometeorologiche alla risposta degli indumenti ai parametri ambientali ha seguito il seguente percorso:

1. Analisi del bilancio termico globale del corpo umano.
   1. E’ stato applicato il modello di Fanger, dove sono stimate tutti i tipi di perdite in funzione del metabolismo. Sono stati presi in considerazione i parametri per un’eventuale personalizzazione del bilancio (sesso, peso, età, attività).
   2. E’ stato implementato il calcolo dell’indice di disagio correlato al bilancio termico il PMV (Predicted Mean Vote).
   3. E’ stata calcolata la variazione storica del PMV di alcune città italiane.
2. Messa a punto dell’algoritmo per la stima della temperatura radiante media sul corpo umano.
   1. Seguendo le indicazioni di Jendrisky (1990), Blazejczyk et al (1993), Hoppe (1982) Matzarakys (2001) in conformità con i risultati del modello Rayman è stata scelto il modello proposto da Jendrisky che meglio esprime il bilancio radiativo superficiale.
   2. Validazione del modello in base al modello Rayman e introduzione del carico radiativo nel bilancio termico umano globale.
3. Analisi di variabilità del parametro di clothing all’interno del modello di Fanger con l’introduzione della variabile di temperatura media radiante.
   1. Ricostruzione delle serie di PMV orario calcolato con il contributo radiativo.
   2. Analisi del disagio termico storico stagionale e mensile e ricerca del valore di clothing ottimale su persona standard in alcune città italiane.
   3. Presentazione dei risultati al 5° convegno di Biella “Tessile e Salute”.
4. Implementazione delle procedure su modello RAMS di tutte le variabili legate a clothing e indici di benessere relativi in collaborazione con il Progetto “Meteo e Salute”.
   1. Sono disponibili le mappe di confort e di previsione di clothing ottimale, dell’indice PMV e della temperatura media radiante su tutto il territorio italiano. Le procedure potranno essere applicati su eventuali simulazione da scenario.
   2. Implementazione di software dimostrativo delle ricerche effettuate.

Modello RAMS per la stima degli indici di disagio relativo alle previsioni meteorologiche

La base degli standard ISO sul benessere termoigrometrico riconducono al modello proposto da Fanger sul bilancio energetico dato dal valore netto di tutte le perdite di calore a fronte della produzione endogena di calore derivata dall’attività metabolica specifica.

Da questo valore netto è possibile ricavare un voto medio previsto di soddisfazione di un campione di popolazione e questo è l’indice di PMV.

Generalmente è stabilito per condizioni indoor, ma è possibile parametrizzare un bilancio di energia anche per ambienti esterni una volta valutato correttamente il contributo della radiazione in termini di temperatura media radiante delle superfici, oltre che ai consueti valori termici e igrometrici.

Il lavoro svolto dall’Università di Friburgo consente una stima del carico radiativo di un persona in ambiente esterno a partire dalle misure o le stime di radiazione diretta e riflessa, comprensive della componente diffusa. Chiaramente non è possibile attribuire a questo un valore di riferimento generale, ma rappresenta un buon indice del disagio in condizioni reali.

La conoscenza dei valori di resistività termica degli abiti, misurati con la grandezza del clo, ovvero la misura del potere isolante di un tessuto o indumento, che aggiunge informazioni ulteriori per raggiungere una stima probabile del disagio associabile, nel caso una persona scegliesse di indossare un determinato insieme di capi di abbigliamento.

La disponibilità di un modello numerico di previsione meteorologica, come quello operante presso il LaMMA in Toscana, permette il calcolo su scala geografica della distribuzione del disagio da caldo e da freddo, come complemento alla tradizionale informazione sulle previsioni del tempo. Altri indici come il minimo carico di resistività termica dell’abbigliamento, sostenibile senza provare disagio, sono ricavabili direttamente dalle variabili di un modello meteo.

Questo è un concreto esempio di come l’informazione meteorologica e quella tecnica dei tessuti possono fornire un prodotto significativo per la popolazione.

La figura precedente è un esempio di una previsione biometeorologica che potrà fornire indicazioni, a chi le desidera, anche sul tipo di indumento da indossare.

Quando lo sviluppo della modellistica sarà capace di formulare in maniera attendibile un disagio locale sul corpo, le possibilità di applicazioni potranno essere molteplici.

Dal punto di vista economico l’aspetto della previsione a lungo termine del tempo e del clima suggerisce la possibilità molto interessante di avere informazioni utili da passare ai produttori tessili per orientare e programmare la produzione verso una tipologia o un’altra in funzione del tempo previsto per i prossimi due o tre mesi.

Questa è, anche, una delle possibilità dell’applicazione della ricerca in climatologica al sostegno della produzione e della ricerca nel comparto tessile.

E’ comunque indubbio che nella differenziazione delle tipologie di abbigliamento, e quindi nelle soluzioni tecniche e nel tipo di materiali utilizzati nelle varie culture, il ruolo del clima sia stato importante e decisivo anche nella produzione delle fibre tessili.

Progettazione e Realizzazione di Sistemi Sensoristici

Strumenti per la verifica della termicità su capo indossato in ambienti outdoor e indoor

Dall’analisi della bibliografia essenziale trovata in rete emerge la consapevolezza che l’analisi del bilancio termico globale del corpo umano ha dei seri limiti nel suggerire indicazioni all’industria tessile.

Le tendenze della ricerca sono da una parte il superamento degli standard ISO (Havenith, Fiala) e dall’altra di studiare le situazioni di comfort a livello locale nel corpo con l’intento di porre le basi sia per un indice universale di disagio (UTCI) sia di fornire informazioni precise alle aziende su capi d’abbigliamento specifici.

Le indicazioni di Zhang (2003) che rappresentano la migliore sintesi dello stato dell’arte nel settore, dimostrano come il disagio locale ha una risposta non lineare nei confronti di quello globale in condizioni transienti ovvero quando i parametri ambientali non sono e non tendono all’equilibrio.

L’analisi dei parametri fisiologici locali in letteratura è stato affrontato con la creazioni di modelli numerici a più componenti (Hardy and Stolwik, Gagge), ciascuno dei quali corrisponde a precisi parti del corpo umano. L’obbiettivo generale è quello di raggiungere la stima del flusso arterioso di ogni parte del corpo da cui derivare tramite equazioni differenziali una stima della temperatura della pelle. Segue in genere la stima del bilancio termico locale a cui associare un indice della stessa struttura del PMV.

 

La letteratura in genere affida alla termometria infrarossa e a sensori opportuni la validazione dei risultati del modello. Generalmente lo stato dell’arte della ricerca nel benessere termoigrometrico, oggi, tende a superare l'approccio generalista proponendo una modellistica sul comfort termico generale con relativi indici biometeorologici basati sul bilancio generale del corpo umano come il PMV (Overall thermal comfort models) e una che tiene conto delle risposte nelle varie parti del corpo, sfruttando i principi della scienza ergonomica (Local thermal comfort models).

Sempre maggiore attenzione è rivolta in generale alle temperature superficiali sia della pelle sia degli indumenti nelle varie parti del corpo.

Questa è un perfetto indice del grado di isolamento termico dell'abbigliamento e influenza i meccanismi che regolano indirettamente la resistenza traspirativa.

Generalmente oggi le uniche misurazioni microclimatiche delle varie tipologie vengono operate su manichino riscaldato, con elevati costi di utilizzo. Quindi la nostra proposta è stata quella di costruire qualcosa che fosse applicabile in vivo ovvero in modo da tenere conto oltre che dei normali parametri fisiologici e meccanici anche del possibile contributo radiativo e dello spostamento delle masse d'aria circostanti, in modo da estendere la validità delle affermazioni sul benessere anche in ambienti outdoor oltre che indoor. Quindi la nostra proposta è quella di:

Le realtà aziendali faticano a trovare a costi accessibili dispositivi per la verifica empirica della qualità dei loro manufatti.

Una risposta è quella di creare una sensoristica ad impiego flessibile che permette di effettuare misure in maniera remota e valida sia per condizioni outdoor che indoor.

Il prodotto da noi realizzato va in questa direzione anche alla luce dell’ingresso sul mercato di nuovi tessuti tecnici per indumenti ad alta prestazione in campo sportivo e in quello della sicurezza. La proposta è resa attuale anche dalla difficoltà di reperimento di un manichino riscaldato in Italia. Molte aziende si rivolgono a strumenti messi a punto all'estero con grossi costi, difficilmente gestibili nell'attuale fase di recessione del campo tessile.

Eventuali varianti nella progettazione di un indumento possono essere riconosciute, con questo sistema, immediatamente valide anche in funzione delle caratteristiche dell'ambiente circostante. Il sistema essendo portabile può essere adattato a più tipologie di capi di abbigliamento e alle caratteristiche personali degli sperimentatori.

La valutazione dell'apporto radiativo esterno permette una migliore stima del deficit o un eccesso del carico termico al quale è sollecitato il corpo e/o una parte di questo.

Non è da sottovalutare l'impiego di prodotti di questo tipo per valutare un ritorno di indumenti fatti con tessuti di fibre naturali o di prodotti tradizionali che necessitano di una riqualifica nei confronti del benessere termoigrometrico.

 

Realizzazione prototipo per il monitoraggio

Un primo prototipo è stato realizzato grazie ad uno studio di fattibilità con CPE srl. La parte più importante è stata la completa progettazione del datalogger, o ricevitore dati, con 12 canali attivi, ciascuno corrispondente ad un sensore.

Le soluzioni adottate, esposte nella figura successiva sono il primo passo per realizzare uno strumento pienamente efficiente. Non esiste un’esperienza analoga in Toscana, salvo fatta l’applicazione più concentrata a problemi medici.

Le risorse disponibili al progetto non hanno potuto affrontare il problema della miniaturizzazione dei sensori, ma particolare attenzione è stata rivolta a eliminare i disturbi legati ad attività radio, particolarmente fastidiosi in fase di acquisizione dati.

 

Da bibliografia è ormai risaputo che la dinamica della temperatura della pelle è profondamente legata alle sensazioni di comfort espresse dal cosiddetto clothing ensemble, in altre parole la composizione di indumenti di un determinato abbigliamento.

Il vero salto in avanti è la presa di coscienza che non è possibile effettuare misure di performance di comfort di indumenti e quindi indirettamente di tessuti senza una valutazione del carico radiativo solare.