Comfort termofisiologico: Ret, Rct e la piastra calda sudante

La fisica del comfort: il bilancio termico

Per mantenere il nucleo corporeo intorno ai ~37 °C, il calore metabolico prodotto deve essere ceduto all'ambiente. Questo calore attraversa lo strato di tessuto per due vie: la via secca (calore sensibile, generato da una differenza di temperatura per conduzione, convezione e irraggiamento) e la via umida (calore latente sottratto dall'evaporazione del sudore; alla temperatura della pelle il calore latente di vaporizzazione dell'acqua è circa 2,4 MJ/kg ed è in grado di smaltire molte volte il calore metabolico di una persona a riposo). Il comfort termofisiologico si ha quando la resistenza che il tessuto oppone a questi due flussi è coerente con il livello di attività di chi lo indossa. Un tessuto è perciò definito da due resistenze distinte; un'unica cifra di "traspirabilità" racconta solo metà della fisica.

Due numeri: Rct e Ret

La resistenza termica Rct è la differenza di temperatura tra le due facce del campione divisa per il flusso di calore secco per unità di superficie, espressa in m²·K/W; quanto più è alta, tanto più il tessuto è isolante (più caldo). La resistenza evaporativa Ret è la differenza di pressione del vapore acqueo tra le due facce del campione divisa per il flusso di calore evaporativo per unità di superficie, espressa in m²·Pa/W; quanto più è bassa, tanto più facilmente il vapore (il sudore) passa, cioè tanto più il tessuto "respira". Uno strato isolante invernale richiede un Rct elevato, mentre un capo per attività intensa necessita di un Ret basso; i due requisiti spesso entrano in conflitto, trasformando la progettazione in un problema di equilibrio.

La piastra calda sudante con anello di guardia (modello di pelle) — ISO 11092

Entrambe le resistenze si misurano sulla piastra calda sudante con anello di guardia ("modello di pelle") definita nella norma ISO 11092; l'apparecchio riproduce il trasferimento di calore e umidità della pelle umana, e il metodo si basa in larga misura sugli studi su piastra calda sviluppati a Hohenstein. La piastra di misura, dotata di un anello di guardia che previene le perdite di bordo, è mantenuta a 35 °C ± 0,1 °C per rappresentare la temperatura della pelle, e su di essa scorre un flusso d'aria controllato di ~1 m/s. Per l'Rct la camera è impostata a 20 °C / 65% UR (lungo il campione esiste un gradiente di temperatura); per il Ret la camera viene portata a 35 °C / 40% UR (condizione isoterma in cui il flusso è governato unicamente dalla differenza di pressione del vapore acqueo). L'alimentazione della piastra viene umidificata attraverso una membrana porosa per simulare la sudorazione.

L'equivalente statunitense è la ASTM F1868, che applica lo stesso principio della piastra calda sudante per misurare la resistenza termica, la resistenza evaporativa e la perdita di calore totale (THL). L'intervallo di misura tipico del metodo è all'incirca 0,002–0,5 m²·K/W per la resistenza termica intrinseca e all'incirca 0–1000 m²·Pa/W (0–1,0 kPa·m²/W) per la resistenza evaporativa intrinseca, coprendo un'ampia gamma che va dalla sottile t-shirt a maglia al pesante guscio laminato.

Classi di traspirabilità secondo il Ret

È diffusamente citata una classificazione attribuita a Hohenstein che mette in relazione il Ret con il comfort d'uso. Queste soglie sono spesso richiamate nelle specifiche di prodotto; separatamente, la norma sull'abbigliamento protettivo EN 343 definisce le proprie classi di resistenza al vapore acqueo basate sul Ret (con soglie diverse) per l'abbigliamento antipioggia. Ret basso = restare freschi e asciutti; Ret alto = sensazione di umido e soffocamento sotto sforzo intenso.

Unità di misura: clo, tog e l'indice di permeabilità al vapore imt

L'isolamento termico si esprime anche in clo e tog. Per definizione 1 clo = 0,155 m²·K/W (l'isolamento che mantiene in equilibrio termico una persona a riposo in un ambiente a 21 °C leggermente ventilato — all'incirca un completo da lavoro) e 1 tog = 0,1 m²·K/W (diffuso nel settore tessile e della biancheria da letto). Ne consegue che 1 clo ≈ 1,55 tog; dividendo l'Rct di un tessuto per 0,155 si ottengono i clo, dividendolo per 0,1 i tog.

La grandezza che condensa in un unico rapporto la resistenza termica e quella evaporativa è l'indice di permeabilità al vapore acqueo imt. La ISO 11092 lo definisce come imt = (Rct / Ret) × S, dove S ≈ 60 Pa/K. È adimensionale e varia tra 0 e 1; imt = 0 significa totalmente impermeabile al vapore, mentre imt = 1 significa che il materiale si comporta esattamente come uno strato d'aria di pari spessore. In pratica i tessuti confortevoli rientrano per lo più intorno a 0,2–0,4 — trattengono una parte del calore rilasciando proporzionalmente il vapore. Poiché l'imt valuta congiuntamente Rct e Ret, offre un confronto più completo del solo Ret.

Come struttura, fibra, grammatura e finissaggio modificano Rct/Ret

Nei tessuti a bassa densità l'Rct cresce in modo all'incirca lineare con lo spessore (grazie all'aria ferma intrappolata all'interno); a isolare non è la fibra in sé, ma l'aria immobile tra le fibre. Per questo il pile garzato (fleece), con il suo elevato loft, offre un Rct alto pur potendo mantenere il Ret basso, poiché la sua struttura porosa lascia passare il vapore direttamente. Filamenti fini e microfilamenti intrappolano più aria e possono quindi dare un Rct più alto a parità di grammatura. Conta anche l'architettura della maglia: il piqué aperto e il mesh abbassano il Ret grazie all'elevata porosità, mentre l'interlock fitto tende sia a un Rct sia a un Ret più elevati. All'aumentare della grammatura (g/m²) di norma crescono sia lo spessore sia la resistenza, ma la relazione dipende dalla struttura.

I finissaggi possono spostare l'equilibrio in entrambe le direzioni. I finissaggi per la gestione dell'umidità/wicking distribuiscono il sudore e agevolano lo smaltimento del calore latente, aumentando il comfort percepito; al contrario, i rivestimenti filmogeni o le laminazioni non traspiranti innalzano il Ret in modo marcato. Un'idrorepellenza durevole (DWR), applicata correttamente, idealmente incide pochissimo sul Ret perché non ostruisce i pori, mentre le membrane microporose e idrofile sono progettate per bloccare la pioggia consentendo al contempo un passaggio controllato del vapore.

Numero a secco, realtà bagnata: cosa accade quando si suda

Le prove standard si svolgono in regime stazionario e con un carico di umidità limitato; nella sudorazione reale, invece, il contenuto d'acqua del tessuto aumenta. Poiché l'acqua è circa 25 volte più conduttiva dell'aria, la conduttività termica del tessuto cresce man mano che si bagna, quindi l'Rct effettivo cala — uno strato bagnato isola improvvisamente molto meno e genera la sensazione di "after-chill" (raffreddamento avvertito dopo lo sforzo). Il comfort dipende perciò non solo dall'Rct a secco, ma anche dalla rapidità con cui il tessuto allontana l'acqua e asciuga (gestione dell'umidità). Il sistema ideale: un'architettura con Ret basso che rilascia il vapore, ad asciugatura rapida per limitare la perdita di Rct da bagnato e capace di preservare il proprio loft.