Development of an innovative method for real-time monitoring and control of comfort in indoor environments based on dynamic measurements of personal parameters

The well-being of buildings’ occupants is one of the main aspects to be considered in buildings design and management. The indoor environment significantly impacts both health and productivity. The present work aims to provide a deep investigation of comfort aspects, focusing on thermal comfort. Thermal comfort is a complex aspect since it depends on both environmental and physiological quantities. Considering the Fangers’ model, the environmental parameters can be easily monitored with sensors networks, whereas to provide a good evaluation of the physiological variables is more difficult. The personal parameters greatly affect the evaluation of the indoor thermal comfort. Therefore, this work presents new methodologies for both the real-time and dynamic estimation of those parameters to improve thermal comfort assessment. Regarding the metabolic rate parameter, the methodology is based on the heart rate measurements coupled with other physiological parameters. Thus, a wearable multi-parametric device was adopted to collect data and tests were conducted to find the best relationship for the estimation of metabolic rate. Conversely, the dynamic evaluation of clothing insulation was derived from the external climate conditions. A virtual test bench was developed to test the impact of the system on building management. A simulation model of a building was used to test a PMV-based air temperature controller. The uncertainty analysis was conducted to study the impact of the proposed methods. The results showed an improvement of comfort management. The methodologies were adopted in a real case study in which the evaluation of indoor thermal comfort was performed by using an innovative system (the Comfort Eye). It allows the real-time monitoring of indoor thermal comfort based on the Fangers’ model. To reach this scope a new version of the Comfort Eye system was developed and it was integrated with a building management system.

Il benessere degli occupanti è uno degli aspetti fondamentali da considerare nella progettazione e gestione degli edifici. Le condizioni del microclima hanno un impatto significativo sia sulla salute che sulla produttività. Considerando il modello di Fanger, il comfort termico è un aspetto complesso poiché dipende sia da parametri ambientali che personali (tasso metabolico (M) e isolamento termico del vestiario (Icl)). I primi sono facilmente misurabili con reti di sensori, mentre fornire una stima corretta delle variabili fisiologiche è molto complesso data la necessità di acquisire parametri sulla persona. Nel presente lavoro di tesi sono state sviluppate nuove metodologie per la misura real-time dei parametri personali per migliorare la valutazione del comfort termico. Per quanto riguarda M, è stata sviluppata una metodologia che si basa su misurazioni continue della frequenza cardiaca e di altri parametri fisiologici adottando un dispositivo indossabile per acquisire i dati. I test effettuati in laboratorio hanno permesso di ricavare una relazione che fornisce una misura dinamica del tasso metabolico. La valutazione dinamica dell’isolamento termico dovuto al vestiario è effettuata su base giornaliera ed è ricavata in funzione delle condizioni climatiche esterne. Inoltre, è stato sviluppato un banco di prova virtuale per testare l'impatto del sistema sulla gestione degli edifici. È stato utilizzato un modello di simulazione di un edificio per testare un controllo della temperatura dell'aria basato su PMV. Infine, è stata effettuata l'analisi d'incertezza allo scopo di studiare l'impatto dei metodi sviluppati. I risultati mostrano un miglioramento nella gestione del comfort. Le metodologie sviluppate sono state adottate in un caso studio reale in cui la valutazione del comfort termico è stata eseguita utilizzando un sistema innovativo (Comfort Eye). Esso permette il monitoraggio in tempo reale del comfort termico. Inoltre, il sistema di monitoraggio del comfort è stato integrato con un sistema di building management.