Development and validation of a low-cost tool for real-time thermal comfort monitoring in indoor environments

A low-cost infrared based measurement system has been developed to monitor in real time the thermal comfort conditions in indoor environments. The device employs a scanning linear array of thermopiles to be installed on the ceiling of the room and is assessed and controlled by an embedded microcontroller to measure indoor surface temperatures. This feature allows the evaluation of the mean radiant temperature (Tr), in compliance with ISO 7726, for several positions inside the space. Together with Tr, the variables required by ISO 7730 are measured by the environmental sensors that are integrated in the control unit to calculate the predicted mean vote (PMV). The PMV and Tr are provided as real-time outputs of the device through wireless or wired connection, also as distribution maps. The thesis reports a detailed description of the system, its calibration and uncertainty analysis. The capability of predicting thermal comfort conditions for multiple positions in the room has been tested and validated in real case studies (i.e. offices, classrooms) with respect to a reference measurement system (microclimate station). Comparison showed a deviation of ±0.1 for PMV without direct solar radiation and an average deviation of ±0.2 for PMV with direct solar radiation. The application of such PMV measurement for an optimized indoor microclimate control and the investigation about additional functionalities (e.g. the identification of hot sources) are also discussed in the thesis. The system developed is able to measure accurately the indoor thermal comfort, with the advantages of low-cost equipment, high integration capability and real-time operations, for the possible application in any kind of scenario.

Un sistema di misura a basso costo basato su sensore ad infrarosso è stato sviluppato per monitorare in tempo reale le condizioni di comfort termico in ambienti indoor. Il dispositivo è basato su un array lineare di termopile, da installare sul soffitto della stanza, che viene controllato da un microcontrollore per effettuare misure continue delle temperature superficiali. In questo modo è possibile valutare la temperatura media radiante (Tr) secondo la normativa ISO 7726, per diverse posizioni all'interno dell’ambiente. Insieme con la Tr, le variabili richieste dalla ISO 7730 (temperatura e velocità dell’aria, umidità relativa) sono misurate dai sensori integrati nell'unità di controllo per calcolare l’indice di comfort PMV (Predicted Mean Vote). Il PMV e la temperatura media radiante vengono fornite in tempo reale come output del sistema tramite connessione wireless o cablata. Nella tesi viene descritta l’intera fase di sviluppo del sistema, compresi i dettagli delle calibrazioni e l’analisi delle prestazioni del device. L’abilità di misurare il comfort termico per più posizioni nell’ambiente è stata testata e validata in ambienti reali (scuole, uffici), tramite confronto con un sistema di riferimento (centralina microclimatica). I test hanno evidenziato una deviazione di ±0.1 per quanto concerne il calcolo del PMV in assenza di radiazione solare diretta, e di ±0.2 se tale contributo è presente (ad esempio in prossimità ad una superficie vetrata). L’applicazione di un tale metodo per la misura del PMV per un controllo ottimizzato del microclima ad opera degli impianti di climatizzazione, è discusso nella tesi, insieme all’investigazione riguardo lo sviluppo di funzionalità avanzate (come l’identificazione di sorgenti calde nella stanza). Il sistema sviluppato è in grado di misurare accuratamente il comfort termico indoor, con i grandi vantaggi di avere una soluzione a basso costo, facilmente integrabile e che fornisce dati in tempo reale.