Komfort cieplny w przyszłości - oczekiwania i poszukiwanie doskonałości

Obecne normy dotyczące komfortu cieplnego (ISO1994, ASHRAE1992) dopuszczają znaczne indywidualne różnice pomiędzy odczuciami cieplnymi ludzi i dyskomfortem cieplnym spowodowanym przez lokalne oddziaływania, np. ruch powietrza. Dla klimatu wewnętrznego normy stanowią kompromis uwzględniający odczucia przez znaczną ilość ludzi zarówno nadmiernego ciepła, jak i nadmiernego zimna. Normy te dopuszczają również prędkości powietrza, przy których znaczny procent użytkowników pomieszczeń odczuwa przeciąg.

•autorzy: Fanger P O Toftum J tłum. Ciuman H red. Humik M

2 2 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

Wydaje się, że w przyszłości w wielu przypadkach takie podejście będzie uważane za niewystarczające. Określone zostaną takie wymagania dla systemów, które zapewnią, że wszystkie osoby przebywające w pomieszczeniu będą czuć się w nim komfortowo.

Oczywistym sposobem osiągnięcia tego celu jest zastosowanie indywidualnie kontrolowanego lokalnego klimatu zamiast klimatu ogólnego. W biurach powszechna będzie indywidualna kontrola warunków cieplnych na każdym stanowisku pracy. System powinien pozwolić na indywidualną kontrolę ogólnych odczuć cieplnych bez powodowania przeciągów lub innego dyskomfortu. Znany jest zakres temperatur powietrza wymaganych w miejscu pracy, zadowalających prawie wszystkich użytkowników (Wyon159 , Fanger1970), a także w wyniku obszernych badań określone zostały zakresy wrażliwości na przeciąg. Poszukiwanie doskonałości polega na zagwarantowaniu wszystkim ludziom, bez żadnego wyjątku, warunków komfortu cieplnego w pomieszczeniu, w którym przebywają.

Komfort cieplny i jakość powietrza wewnętrznego

Obecne normy podchodzą do powyższych zagadnień indywidualnie, sugerując, że są one od siebie niezależne. Ostatnie badania wskazują jednak, że nie jest to praw dą (Fang i in.1999, Toftum i in.199S). Temperatura i wilgotność powietrza powiązane ze sobą w entalpii mają duży wpływ na odczuwaną jakość powietrza, która określa wymagania dla wentylacji. Z badań wynika, że suche i chłodne powietrze jest odczuwane jako świeże i przyjemne, podczas gdy przy tym samym jego składzie chemicznym oraz podwyższonej temperaturze i wilgotności odbierane jest jako nieświeże i duszne. Podczas oddychania następuje chłodzenie błony śluzowej nosa, które jest niezbędne dla odczucia przyjemnego i świeżego powietrza. Brak chłodzenia, przy wysokiej temperaturze i wilgotności, powoduje odczucie jakby powietrze było nieświeże i duszne, co można zinterpretować jako lokalny dyskomfort w nozdrzachJ W skaźnik P M V jest podstawą dla istniejących norm dotyczących komfortu cieplnego. Jest on bardzo elastyczny i pozwala na określenie szerokiego zakresu temperatury i wilgotności powietrza, które zapewniają neutralne odczucia cieplne. Jednak jakość wdychanego powietrza jest odczuwana bardzo różnie w zależności od temperatury i wilgotności. Na przykład: lekka odzież i podwyższona prędkość powietrza lub chłodzony sufit, temperatura powietrza 28°C i wilgotność 60%

m ogą dać odczucia, przy których PM F=0, jednak powietrza będzie odbierane jako nieświeże i duszne . Dla lepszego odczucia jakości powietrza wymagana jest temperatura 20-^22°C przy średniej wilgotności. Umiarkowane temperatury i wilgotności powietrza zmniejszają również „syndrom chorego budynku” SBS (Krogstad i in.1991, Andersson i in.1975) i wymagania wentylacyjne, prowadząc do oszczędności energii podczas sezonu grzewczego. Również w przypadku klimatyzacji pomieszczeń jest to- korzystne i energooszczędne.

Wskaźnik PM V i model adaptacyjny

Wskaźnik P M V jest oparty na amerykańskich i europejskich eksperymentach, w których brało udział ponad tysiąc osób przebywających w dobrze kontrolowanym środowisku (Fanger1970). Badania wykazały, że odczucie cieplne człowieka jest ściśle związane z równowagą cieplną ciała ludzkiego i jego układem termoregulacji. Wskaźnik P M V przewiduje odczucia cieplne będące funkcją aktywności fizycznej człowieka, odzieży oraz parametrów cieplnych otoczenia. Szacuje on bezwzględny i względny udział najważniejszych czynników wpływających na odczucia cieplne i dlatego może być stosowany w wewnętrznych środowiskach ze znacznie różniącymi się systemami

klimatyzacyjnymi, zarówno dla różnych aktywności, jak i różnych preferencji co do ubioru. W skaźnik P M V byl określany zarówno w komorze klimatycznej podczas badań prowadzonych w Azji (de Dear i in.1 ', Tanabe i in.1987), jak i w badaniach prowadzonych w rzeczywistych klimatyzowanych budynkach, które znajdowały się w chłodnych, umiarkowanych i ciepłych klimatach. Badania prowadzono w okresie zimowym i letnim (Cena i in.1 98, Donini i in.1996, de Dear i in. a, Schiller i in.1988). P M V jest dobrze zbadany dla warunków ustalonych, jednak z dobrym przybliżeniem może być on również stosowany przy powolnych zmianach parametrów środowiska wewnętrznego, występujących w pomieszczeniach. Wskaźnik PM V prawidłowo przewiduje odczucie cieplne bezpośrednio po skokowym wzroście temperatury, natomiast po skokowym obniżeniu temperatury dopiero po 20 min. od zmiany (de Dear i in.1993b).

Badania prowadzone w ciepłym klimacie w budynkach bez klimatyzacji wykazały, że P M V przewiduje odczucia cieplejsze w stosunku do rzeczywistych odczuć mieszkańców (Brager i de Dear1998). Dla takich nieklimatyzowanych budynków został zaproponowany model adaptacyjny (de Dear i Brager19 8). Model ten opisany jest równaniem regresji, które wiąże średnią temperaturę wewnętrzną z m iesięczną przeciętną temperaturą zewnętrzną. Jedyną zm ienną jest zatem przeciętna temperatura zewnętrzna, która może nie mieć bezpośredniego wpływu na równowagę cieplną człowieka. Oczywistą słabością modelu adaptacyjnego jest to, że nie uwzględnia on oporności cieplnej odzieży, aktywności fizycznej oraz klasycznych parametrów cieplnych otoczenia, które m ają znany wpływ na równowagę cieplną człowieka, a przez to na odczucia cieplne. Chociaż, jak wynika z badań prowadzonych w budynkach zlokalizowanych w cieplnym klimacie, model adaptacyjny przewiduje całkiem dobrze cieplne odczucia dla budynków bez klimatyzacji, to pozostaje jednak pytanie czy model ten będzie odpowiedni do warunków nowego budownictwa, gdzie mieszkańcy m ają zróżnicowane nawyki co do sposobu ubierania się i aktywności fizycznej.

Zatem dlaczego wskaźnik PMV, jak się przypuszcza, przeszacowuje odczucie ciepła w nieklimatyzowanych budynkach ciepłego klimatu? Jest oczywiste, że fizjologiczna aklimatyzacja nie odgrywa tu żadnej roli. Sugerowane wyjaśnienie jest takie, że możliwość otwierania okien w budynkach z naturalną wentylacją w większym stopniu umożliwia indywidualną kontrolę odczuć cieplnych niż ma to miejsce w budynkach klimatyzowanych. Mało prawdopodobne je st jednak, że to zawsze się sprawdza w ciepłym klimacie. Chociaż możliwość otwarcia okien może czasami zapewnić kontrolę temperatury powietrza i jego ruchu, jednak dotyczy to tylko ludzi pracujących w pobliżu okien. Co się dzieje z ludźmi pracującymi z dala od okna? W ciepłym klimacie normalną strategią w naturalnie wentylowanych budynkach jest ich schładzanie podczas nocy, a następnie zamykanie okien w godzinach rannych, kiedy temperatura zewnętrzna przewyższa temperaturę wewnętrzną. Inną przeszkodą jest oczywiście hałas uliczny, który uniemożliwia otwieranie okien. W związku z tym istnieje przekonanie, że w ciepłym klimacie właściwie sterowana klimatyzacja pod każdym względem gwarantuje lepszą kontrolę warunków cieplnych, aniżeli otwieranie okien.

Prawdopodobnie przyczyną tego, że P M V przeszacowuje odczucie cieplne ludzi w nieklimatyzowanych budynkach ciepłego klimatu są różnice oczekiwań użytkowników budynków. Ludzie ci żyją w ciepłym środowisku wewnętrznym i zewnętrznym, często od wielu pokoleń i m ogą być przyzwyczajeni do środowiska, gdzie odczuwają większe ciepło niż w środowisku neutralnym. Jeżeli nawet będą mieli możliwość zmiany, to nie wybiorą środowiska ludzi, którzy przywykli mieszkać w budynkach z klimatyzacją. Jest więc prawdopodobne, że ciepłe środowisko będą odbierać jako mniej niekorzystne i mniej

24 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

niekomfortowe niż ludzie, którzy mieszkają w klimatyzowanych budynkach. Odczucia cieplne osób przebywających w rzeczywistym nieklimatyzowanym budynku w ciepłym klimacie można wyrazić wprowadzając współczynnik oczekiwania „e”, który należy pomnożyć przez wartość PMV. Współczynnik e może zawierać się w przedziale 1-0,5.

Wartość e=l odnosi się do budynków klimatyzowanych. Dla budynków nieklimatyzowanych wartości współczynnika e zależą od czasu trwania ciepłej pogody w ciągu roku i od tego, czy budynki te m ogą być porównywane z budynkami klimatyzowanymi w tym rejonie. Jeżeli przez cały rok jest ciepło i w danym rejonie nie ma (lub jest ich niewiele) budynków klimatyzowanych, to współczynnik e może wynosić 0,5 natomiast, jeżeli znajdują się tam inne budynki klimatyzowane to parametr e wynosi 0,7.

Dla budynków nieklimatyzowanych, zlokalizowanych w regionie, gdzie ciepła pogoda jest tylko podczas lata oraz jest pewna ilość budynków klimatyzowanych e=0,7-0,8. Jeżeli jest duża ilość klimatyzowanych budynków e=0,8-0,9. W regionach, gdzie ciepła pogoda jest w krótkich okresach letnich e=0,9+1. W tabeli 3.1 przedstawiono propozycję pierwszego zgrubnego oszacowania zakresu współczynnika „e” w zależności od wysokiego, średniego lub niskiego poziomu oczekiwania.

Tabela 3.1 Współczynnik oczekiwania dla nieklimatyzowanych budynków w gorących klimatach odczuciami cieplnymi w nieklimatyzowanych budynkach jest błędne oszacowanie aktywności fizycznej. W wielu badaniach przeprowadzonych w biurach metabolizm szacowano na podstawie ankiety określającej udział czasu, w którym badane osoby siedziały, stały bądź chodziły. Takie podejście nie uwzględnia faktu, że ludzie czując ciepło nieświadomie obniżają sw oją aktywność fizyczną. W obliczeniach PM V wolniejszy tryb życia w ciepłym środowisku powinien być uwzględniony poprzez obniżony metabolizm.

Dla potwierdzenia tej hipotezy przeprowadzono dalsze badania komfortu cieplnego (de Dear1 s). Wykorzystane w analizach dane pochodzą z badań przeprowadzonych w czterech miastach (Bangkok, Brisbane, Ateny i Singapur) i obejmują ponad 3200 zestawów obserwacji w nieklimatyzowanych budynkach w okresie letnim (Busch1992, de Dear1985, Baker1995, de Dear i in.1991). Wyniki tych samych badań były również zastosowane do rozwinięcia modelu adaptacyjnego (de Dear i Brager1998).

Dla każdego zestawu obserwacji zanotowany metabolizm był obniżony o 6,7%, dla każdego stopnia skali P M V powyżej oceny obojętnej, tj. wskaźnik P M V -1,5 odpowiadał redukcji metabolizmu o 10%. Następnie PM V był ponownie liczony z obniżonym

metabolizmem m etodą ASHRE (Fountain i Huizenga1997). Wynik ten był dostosowany do oczekiwań przez pomnożenie przez wskaźnik oczekiwania, który wynosił odpowiednio:

0,9 - dla Brisbane, 0,7 - dla Aten i Singapuru oraz 0,6 - dla Bangkoku. Wyniki badań przedstawione w tabeli 3.2 i na rys. 3.1 wskazują na to, że zaobserwowane odczucia cieplne są porównywalne z przewidywaniami określonymi przy użyciu udoskonalonego wskaźnika PM V dla ciepłego klimatu.

Nowy poprawiony wskaźnik P M V dla nieklimatyzowanych budynków zlokalizowanych w ciepłym klimacie lepiej przewiduje faktyczne wrażenia cieplne.

Rozwinięcie to łączy najlepiej wskaźnik P M V z modelem adaptacyjnym. Należy zauważyć, że nowy wskaźnik PM V przewiduje wyższe graniczne temperatury przy niższym wskaźniku oczekiwania. Ludzie z niższym poziomem oczekiwań są gotowi zaakceptować cieplejsze wewnętrzne środowisko, co jest zgodne z modelem adaptacyjnym.

Tabela 3.2 Nieklimatyzowane budynki w ciepłym klimacie. Porównanie zaobserwowanych odczuć cieplnych i przewidywania określone na podstawie rozbudowanego wskaźnika PMV.

Miasto Parametr oczekiwania

P M V uwzględniający

właściwą aktywność

PMVe uwzględniający

poziom oczekiwań

Obserwowane odczucia

cieplne

Bangkok 0,6 2,0 1,2 1,3

Singapur 0,7 1,2 0,8 0,7

Ateny 0,7 1,0 0,7 0,7

Brisbane 0,9 0,9 0,8 0,8

Temperatura operacyjna, °C

Rys. 3.1 Odczucia cieplne w nieklimatyzowanych budynkach ciepłego klimatu. Porównanie obserwowanych średnich odczuć cieplnych z przewidywaniami określonymi na podstawie nowego, rozwiniętego wskaźnika PMV. Linie oparte są na regresji

liniowej, ważonej według ilości odpowiedzi uzyskanych w każdym budynku.

26 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

Korzystne byłyby dalsze badania dla udoskonalenia wskaźnika PMV, dla dalszego wyjaśnienia oczekiwań ludzi i poziomu akceptacji środowiska szczególnie korzystne byłyby badania w ciepłym klimacie, w różnych częściach świata. Badania te mogłyby również być wykorzystane do oceny wpływu ciepłego środowiska w biurach na aktywność fizyczną i metabolizm.

Z omówionych badań wynikają następujące wnioski:

• Wskaźnik PM V był właściwy dla budynków z systemami klimatyzacyjnymi, zlokalizowanych w zimnym, umiarkowanym i ciepłym klimacie i zbadany był podczas lata i zimy. W nie klimatyzowanych budynkach ciepłego klimatu mieszkańcy m ogą odczuwać ciepło jako mniej dokuczliwe aniżeli przewiduje wskaźnik PMV, z powodu niższego poziomu oczekiwań.

• PMV, zawierający wskaźnik oczekiwania proponowany jest dla nieklimatyzowanych budynków w ciepłym klimacie.

• Udoskonalony wskaźnik P M V został potwierdzony badaniami w nieklimatyzowanych budynkach ciepłego klimatu na trzech kontynentach.

• Dalsze poszukiwania doskonałości zmierzają do tego, aby wszyscy ludzie przebywający w danym środowisku odczuwali komfort cieplny. Wymaga to indywidualnej kontroli warunków cieplnych.

• Komfort termiczny i jakość powietrza w budynku powinny być rozważane równocześnie. Wysokie oczekiwania odnośnie jakości powietrza wymagają średniej temperatury powietrza i wilgotności.