Miejscowe chłodzenie: odczucia ludzi i wytyczne projektowania

W wielu gorących środowiskach przemysłowych klimatyzowanie całej przestrzeni pomieszczeń je st niemożliwe. Alternatywą może być ustalenie odpowiednich warunków środowiska termicznego indywidualnie dla każdego stanowiska pracy. Dla temperatury do 30°C wzrost strat ciepła przez konwekcję wym uszoną przy przepływie izotermicznym powietrza w pomieszczeniu, może być skutecznym sposobem utrzymywania równowagi temperatury ciała człowieka (Burton i in.1975a' I975b; M clntyre1978; Rohles i in.1983; Scheatzle i in.1989). Kiedy temperatura otoczenia przewyższa 30°C możliwe jest zmniejszenie odczucia wywołanego gorącem, dzięki nawiewanej indywidualnie strudze zimnego powietrza. M ożna stosować różne kombinacje temperatury i prędkości przepływu powietrza. W większości przypadków chłodzenie skoncentrowane jest na jednej części ciała, głównie głowie i górnym torsie. Fizjologia pracownika i subiektywne reakcje na takie środowisko różnią się od reakcji na typowe, jednolite termicznie środowisko i były analizowane przez A zera i in.1971, 1974; Olesena i N ielsena1980,1983; Ma i Q ina1991; Melikova

j j n 1991,1994a, 199ab

W ażną częścią projektowania indywidualnego systemu chłodzenia, jest identyfikacja odpowiedniej prędkości w strefie przebywania człowieka Wj, odpowiedniej temperatury tj i odpowiedniego obszaru Rj oddziaływania strugi chłodzącej, które powinny zapewnić dogodne warunki komfortu cieplnego na stanowisku pracy.

Prosta metoda obliczania oddziaływania strugi chłodzącej została opracowana przez Azera19822’ 1982b> 1984. Dla sprecyzowanej temperatury otoczenia, głównie temperatury promieniowania, wilgotności względnej, ciśnienia pary, izolacyjności ubrań pracownika, metabolizmu, wynikającego z wykonywanej pracy i obszaru wybranego do chłodzenia, metoda ta pozwala projektantowi identyfikować różne kombinacje prędkości przepływu powietrza w strefie przebywania ludzi, temperatury i wilgotności względnej, które w rezultacie w jednakowym stopniu pozwalają na akceptowalny fizjologiczny wysiłek pracownika. M ożna także określić odpowiednie kombinacje prędkości nawiewania, temperatury i wilgotności względnej. Metoda postępowania oparta je st na teorii i pociąga za sobą pewne ograniczenia: możliwe jest obliczanie charakterystycznych strug tylko w rozwiniętym obszarze przepływu, może być stosowana tylko dla pionowej strugi chłodzącej, np. głowa wybrana jest jako poziom referencyjny dla wyboru prędkości i temperatury, nie uwzględnia się indywidualnych różnic między ludźmi.

K ieru n ek n a w ie w a n e j str u g i

Przy indywidualnym chłodzeniu najbardziej odpowiednie jest posługiwanie się strugami pionowymi, ponieważ całe ciało pracownika jest symetrycznie poddane oddziaływaniu zimnego powietrza, więc chłodzenie jest najbardziej skuteczne. Wyższa pojemność chłodząca strugi pionowej w porównaniu z poziomą, została potwierdzona w badaniach dotyczących indywidualnego chłodzenia przez Olesena i N ielsena1980, 1983; Ma i Qina1991; M elilkova i in. ■ l994’’ 1 . Literatura potwierdza (Azer i in .1971; Cananac i Caputa1979), że głowa odgrywa w ażną rolę w procesie chłodzenia i jej udział w oddawaniu ciepła do otoczenia jest największy. Melikov i in1994a wykazali, że jeżeli głowę nakryje się kaskiem, to preferowana prędkość wzrasta o 25% w porównaniu z prędkością preferowaną strugi w identycznych warunkach środowiska bez kasku.

'autor: Melikov A K tłum. Ferdyn-Grygierek J red. Trzeciakiewicz Z

162 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

Jeżeli struga nawiewana jest pod pewnym kątem lub poziomo, to ciało pracownika nie jest poddawane symetrycznemu oddziaływaniu nawiewu zimnego powietrza.

Jak pokazano na rys. 5.6, podczas nawiewania poziomej strugi chłodzącej występują istotne różnice w lokalnym odczuciu ciepła z lewej i z prawej strony ciała ludzkiego. Jednakże dla wielu przypadków system chłodzenia indywidualnego ze strugą nawiewaną pod kątem albo poziomo, może być opcją, kiedy przestrzeń nad pracownikiem ma inne przeznaczenie np. dla technologii przemysłowej - transport dźwigowy.

Analizy dotyczące systemu indywidualnego chłodzenia (Melikov i in.1994a’ l994b;

Olesen i N ielsen19 ° '19 3) pokazują, że obie: pionowa i pozioma struga powietrza powinny dawać takie samo ogólne odczucie cieplne. Można to osiągnąć poprzez wybór większych prędkości końcowych w strudze poziomej (zasięgu strugi), w porównaniu ze strugą pionową. Rezultaty uzyskane przez Melikova i in.1994a pokazują także, iż różnice w preferowanej prędkości końcowej pionowej i poziomej strugi chłodzącej powiększają się wraz ze wzrostem temperatury powietrza w pomieszczeniu. Dyskomfort spowodowany asymetrią lokalnego odczucia ciepła z lewej i prawej strony osób poddawanych oddziaływaniu strugi poziomej nawiewanej z boku jest mniejszy, niż dyskomfort spowodowany przeciągiem, wywołanym obiema strugami poziomą i pionową. Przeciąg odczuwany na ramionach związany ze strugą poziom ą był zmniejszany izolacją ubrania.

1 7 i

Lewa noga Lewa noga Lewe ramię Kark Głowa i twarz

Rys. 5.6 Pionowy rozkład osobowego lokalnego termicznego odczucia w systemie indywidualnego chłodzenia (główne wartości dla 8 uczestników eksperymentu) z ta=33°C, tj=24°C, R,=0,2m i preferowana prędkością. Obszar oddziaływania strugi zlokalizowany je s t w początkowym regionie strugi chłodzącej w odległości dwóch średnic wylotowych, D 0 (Do=0.25m). Pozioma struga nawiewana jest z lewej strony. Rozkład oparty je s t na średnim lokalnym odczuciu cieplnym wybranym dla części ciała wskazanych w tabeli. Skala odczucia cieplnego: (-4) - bardzo zimno; (-3) - zimno; (-2) - chłodno; (-1) - dość chłodno; (0) - obojętnie; (1) - dość ciepło; (2) - ciepło; (3) - gorąco; (4) - bardzo gorąco

Intensywność turbulencji strugi chłodzącej

Efekt chłodzący strugi wzrasta, kiedy temperatura końcowa strugi nawiewanej i temperatura w pomieszczeniu obniża się, a prędkość końcowa strugi wzrasta. Analizy warunków izotermicznych przeprowadzone przez Mayera1991, Kubota1989 pokazują, że intensywność usuwania ciepła z gorącego ciała wzrasta, kiedy wzrasta intensywność turbulencji przepływu powietrza. Melikov i in.1991,1994a analizowali wpływ intensywności turbulencji strugi na usuwanie ciepła z manekina cieplnego oraz na reakcje cieplne ludzi.

Analizowane były różne kierunki strug nawiewanych w warunkach izotermicznych i nieizotermicznych. W brew oczekiwaniom intensywność turbulencji strugi chłodzącej nie miała żadnego wpływu ani na całkowite i lokalne usuwanie ciepła z cieplnego manekina ani na odczucia ludzi. Jednym powodem mógł być rozkład intensywności turbulencji w strefie przebywania ludzi, który w omawianym eksperymencie zlokalizowano w początkowym obszarze strugi, w odległości dwóch średnic dyszy nawiewnej.

W przypadku wysoko turbulentnej strugi, intensywność turbulencji w obszarze docelowym wzrastała, podczas gdy obszar zewnętrzny pozostawał prawie niezmieniony (35+40%).

Wzrost intensywności usuwania ciepła z niewielkiego obszaru ciała wystawionego na przepływ o wysokiej intensywności turbulencji okazał się bez znaczenia, w porównaniu z całkowitą ilością ciepła usuw aną z tej części ciała. Przyczyniały się do tego również włosy i ubranie, które tłumiły fluktuacje prędkości. Podczas eksperymentu prowadzonego w warunkach nieizotermicznych, wysoka intensywność turbulencji wywoływała intensywne mieszanie strugi i powietrza w pomieszczeniu, a zatem i duże fluktuacje temperatury w strudze. To spowodowało zmniejszanie usuwanie ciepła z manekina cieplnego. Dlatego podczas projektowania systemu indywidualnego chłodzenia zaleca się generowanie strugi powietrza o możliwie niskiej intensywności turbulencji.

Lokalny dyskomfort cieplny

Wokół ciała ludzkiego występuje niejednolity rozkład temperatury i prędkości powietrza (rozkład temperatury i prędkości powietrza wokół ciała ludzkiego został przeanalizowany przez M elikova i in.1994c). Dlatego podczas badań dotyczących indywidualnego chłodzenia wykonanych przez Olesena i Nielsena1980,1 83 oraz Melikova1991,1 8’1994b, osoby uczestniczące w badaniach sygnalizowały duże różnice w lokalnym odczuciu cieplnym. Osoby uczestniczące w eksperymencie zgodnie potwierdziły, iż środowisko cieplne stanowi kompromis pomiędzy odczuciami cieplnymi całego ciała i odczuciami lokalnymi poszczególnych części ciała. Taki kompromis określa końcową prędkość strugi preferowaną przez obiekty badań (osoby uczestniczące w badaniach).

Przy niskiej temperaturze strugi powietrza, poważny problem może stanowić lokalny dyskomfort spowodowany przeciągiem odczuwanym na słowie, szyi i twarzy (Olesen i Nielsen1980, ; M elikov i i n / 994ad994i’). Olesen i N ielsen19 3, w celu uniknięcia przeciągu zalecili m inim alną temperaturę strugi wylotowej rów ną 20°C. W analizach M elikova19 b, dyskomfort spowodowany przeciągiem na szyję występował wówczas, kiedy lokalna temperatura powietrza była niższa od 22°C. W celu zmniejszenia dyskomfortu spowodowanego przeciągiem zaleca się stosowanie połączenia pionowej strugi, kasku ochronnego na głowę oraz zmodyfikowanego ubrania zaprojektowanego tak, aby chronić szyję przed lokalnym dyskomfortem.

164 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

Przy prędkości przepływu powietrza większej niż 1 m/s, ruch powietrza wywiera fizyczny nacisk na skórę, co odbierane jest negatywnie. Lokalne odczucia cieplne szyi oraz ogólne odczucia cieplne, przy preferowanej prędkości dla różnych kombinacji temperatury pomieszczenia i końcowej temperatury strugi przedstawia tabela 5.1. Wyniki pochodzą z analizy M elikova1994b. Tabela przedstawia także lokalną temperaturę, prędkość i ciśnienie strugi przy szyi. Wyniki pokazują, że przy wysokiej lokalnej temperaturze strugi (/yc=28°C), obiekty badań wybrały tak ą prędkość końcową, która dała im ogólne odczucie cieplne nie „obojętnie” ale „dość ciepło”. Maksymalna prędkość końcowa strugi w,=2,2 m/s (lokalna prędkość powietrza w środku strugi około 4,2 m/s) została wybrana przez jednego uczestnika eksperymentu, przy temperaturze pomieszczenia 33°C i temperaturze końcowej 28°C (Tabela 10, M elikov i in.199 a). Taka prędkość była niższa niż możliwości systemu chłodzącego. Badania wykazały, że przy temperaturze powietrza pomieszczenia powyżej 38°C, będzie raczej trudno osiągnąć odpowiednie warunki komfortu cieplnego poprzez system indywidualnego chłodzenia. Zwiększona prędkość albo zmniejszona temperatura strugi mogłaby poprawić warunki ogólnego komfortu cieplnego, jednak wówczas dyskomfort spowodowany przeciągiem lub dyskomfort wywołany ciśnieniem strugi będzie niedopuszczalnie wysoki.

Tabela 5.1 Lokalna temperatura, tjc> prędkość, wJO i ciśnienie na szyję, ogólne cieplne odczucie dla całego ciała GTS (z ang. generał thermal sensation), lokalne odczucie cieplne LTS (z ang. local thermal sensation) na szyję dla różnych kombinacji temperatury pomieszczenia, ta, końcowej prędkości strugi, Vj, i końcowej temperatury strugi, tj. Wyniki p rzy preferowanej prędkości docelowej średniej obejmują 8 uczestników eksperymentu. Stosowano strugę chłodzącą z wylotu o średnicy D o=0,25m. Strefa oddziaływania o promieniu Rt=0,2m., zlokalizowana je s t w odległości dwóch średnic od dyszy wylotowej, x/D a=2

ta(°C) 28 33 38

tj(°C) 20 24 28 20 24 28 24 28

tjc(°C) 16 21.5 28 10.5 17.5 24.5 12.5 20

wj (m/s) 0.7 1.0 1.5 0.6 1.0 1.4 0.8 1.3

WjC (m/s) 1.1 1.8 2.8 0.9 1.8 2.6 1.3 2.4

Ciśnienie strugi (N/m-4) 0.8 1.8 4.4 0.5 1.9 4.0 1.1 3.6

LTS przy szyi -0.7 -0.3 0.5 -1.4 -0.8 0.1 -0.9 0.2

GTS -0.1 0.0 1.0 0.3 0.1 1.1 0.7 1.1

Indywidualne różnice między ludźmi

Analizy przedstawione przez Olesena i N ielsena1980- 1983; M elikova1991, 1994a- 1994b pozwalają na stwierdzenie, iż podczas stosowania systemu indywidualnego chłodzenia występują duże różnice w fizjologicznych oraz subiektywnej odczuciach uczestników badań. Przy jednakowych warunkach, preferowana prędkość wybierana przez uczestników

badań wykonanych przez Melikova 1994b różniła się o pięć punktów. Na rys. 5.7 porównano prędkość końcow ą pionowej strugi chłodzącej wybraną przez dwóch uczestników w jednakowych warunkach środowiska. Odczucia cieplne uczestników badań różniły się znacznie. N a przykład, rys. 5.8 pokazuje kombinacje temperatury pomieszczenia 38°C, temperatury końcowej 24°C i prędkości końcowej 2 m/s, ocenione przez 8 uczestników badań przeprowadzonych przez Melikova1994b. Wyniki przedstawione na tym rysunku pokazują, że przy jednakowych warunkach środowiska, odczucia cieplne uczestników różniły się od czterech do dziewięciu punktów skali odczucia cieplnego.

temp. pomieszczenia, °C

2 8 28 2 8 33 33 33 38 38

temp. końcowa, °C

Rys. 5.7 Prędkość pionowej strugi chłodzącej preferowana przez dwóch uczestników eksperymentu dla różnych kombinacji parametrów środowiska; R,=0,2 m

2

D E

uczestnik

Rys. 5.8 Odczucia cieplne wybrane dla 8 uczestników eksperymentu z pionową strugą chłodzącą (R,=0,2 m) w pomieszczeniu o temperaturze 38°C, temperaturze końcowej 24°C i prędkości końcowej 2 m/s. Skala odczucia cieplnego: (-4) - bardzo zimno; (-3) - zimno; (-2) — chłodno; (-1) — dość chłodno; (0) obojętnie;

(1) - dość ciepło; (2) - ciepło; (3) - gorąco; (4) - bardzo gorąco.

166 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

2 8 30 32 34 36 38

temperatura pomieszczenia, °C

Rys. 5.9 Zakres lokalnej temperatury powietrza na stanowisku pracy, akceptowany przez 40 uczestników eksperymentu dotyczącego chłodzenia miejscowego z pionową i poziomą strugą, w funkcji temperatury pomieszczenia. Optymalna lokalna temperatura powietrza jako funkcja temperatury pomieszczenia, dla strugi pionowej i poziom ej (Rj=0,2 m)

Różnice pomiędzy uczestnikami eksperymentu dotyczyły także preferowanej lokalnej temperatury powietrza w środku obszaru oddziaływania strugi. N a rys. 5.9 zdefiniowano zakres lokalnej temperatury powietrza w obszarze oddziaływania, zaakceptowany przez uczestników badań, jako funkcję temperatury powietrza pomieszczenia (M elikov1994b). Rysunek ten przedstawia optymalną preferowaną temperaturę powietrza, w zależności od temperatury pomieszczenia, dla obydwu strug pionowej i poziomej.

Rezultaty analiz systemu indywidualnego chłodzenia wyjaśniają, iż niemożliwym jest zaproponowanie jednej wartości prędkości końcowej strugi i końcowej temperatury dla wszystkich pracowników, w zależności od warunków środowiska. Indywidualne chłodzenie powinno być projektowane w taki sposób, aby pracownicy mogli sami wybrać preferowaną dla siebie końcow ą prędkość i temperaturę strugi.

Usytuowanie badanych osób w strudze chłodzącej

Podczas projektowania systemu indywidualnego chłodzenia podstawowym czynnikiem jest zapewnienie pracownikowi odpowiednich warunków komfortu cieplnego.

Innym ważnym czynnikiem, który należy rozważyć, jest współczynnik zużycia energii w systemie indywidualnego chłodzenia, np. komfort cieplny pracownika powinien być osiągnięty przy minimalnym możliwym nakładzie energii do chłodzenia i z najniższą m ożliwą prędkością strugi nawiewanej. Dlatego bardzo ważnym jest w jakiej części strugi znajdzie się strefa przebywania, np. pozycja pracownika względem nawiewnika: blisko wylotu strugi, w strefie początkowej i przejściowej lub daleko od wylotu, w obszarze pełnego rozwinięcia strugi. Podczas nawiewania zimna struga zaczyna mieszać si?

z ciepłym powietrzem pomieszczenia. Z powodu mieszania średnia temperatura w przekroju strugi rośnie wraz z odległością od wylotu. Różnice pomiędzy temperaturą

końcową i tem peraturą nawiewu wzrastają, jeśli rośnie temperatura pomieszczenia i odległość obszaru oddziaływania od nawiewnika. Jeżeli obszar oddziaływania zlokalizowany jest w regionie całkowitego rozwinięcia strugi, to w celu uzyskania zadanej temperatury końcowej strugi, temperatura strugi nawiewanej powinna być niższa w porównaniu z przypadkiem, kiedy jest on zlokalizowany w strefie początkowej strugi.

Oznacza to, że powietrze powinno być znacznie chłodniejsze, jeżeli obszarem chłodzonym jest strefa całkowitego rozwinięcia strugi, w stosunku do strefy początkowej.

Istotnym ograniczeniem jest temperatura nawiewu strugi powietrza, która powinna wynosić, aby uniknąć tworzenia się szronu na agregacie chłodniczym, kilka stopni powyżej 0°C.

Doświadczenia wykonane przez M elikova1994b pokazały, że taka sama temperatura

¡prędkość m a w iększą zdolność chłodzenia w obszarze początkowym strugi, niż w obszarze pełnego rozwinięcia. Wybrane wyniki analiz przedstawiono na rys. 5.10 i 5.11.

prędkość końcowa, m/s

Rys. 5. JO Usuwanie ciepła z cieplnego manekina w fu n kcji temperatury końcowej. Przy jednakowych prom ieniach 0,2m, końcowej temperaturze tj~28°C, i temperaturze pomieszczenia ta-3 3 °C porównano wpływ umiejscowienia powierzchni oddziaływania, w strefie początkowej (w odległości dwóch średnic, x/D„=2;

średnica wylotu strugi Do=0,25 m) i w obszarze pełnego rozwinięcia strugi (w odległości trzynastu średnic wylotowych, x/D 0=13; średnica wylotu strugi D o=0,08 m). Stosowano pionową strugę chłodzącą

Można zauważyć, że zwiększone oddawanie ciepła przez manekin cieplny występuje wtedy, jeżeli manekin usytuowany jest w początkowym obszarze strugi chłodzącej, a nie gdy usytuowano go w obszarze pełnego rozwinięcia strugi. Badane osoby odczuwały większe obciążenie ciepłem, kiedy znajdowały się w obszarze pełnego rozwinięcia strugi, w porównaniu z obszarem początkowym.

168 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

prędkość końcowa, m/s

Rys. 5.11 Odczucie cieplne ciała ja k o średnia (ogólne cieplne odczucie) dla czterech osób w funkcji prędkości docelowej; ta=33°C, tj=28°C; pionowa struga chłodząca;

powierzchnia oddziaływania o promieniu 0.2m (na poziomie głowy) zlokalizowana w początkowym obszarze strugi, x/D0=2 (Do~0,25 m), oraz w regionie pełnego rozwinięcia strugi, x/D 0=13 (Do=0,08 m). Skala odczucia cieplnego: (-4) — bardzo zimno; (-3) - zimno; (-2) - chłodno; (-1) - dość chłodno; (0) - obojętnie; (1) - dość ciepło; (2) - ciepło; (3) - gorąco; (4) - bardzo gorąco.

promień, mm

Rys. 5.12 Profil prędkości zmierzonej w obszarze oddziaływania strugi zlokalizowanym w obszarze początkowym (x/D0=2) strugi chłodzącej p rzy średnicy wylotowej Do=0,25 m oraz w obszarze całkowitego rozwinięcia (x/D„=13) strugi chłodzącej p rzy średnicy wylotowej Do=0,08 m. Dwie powierzchnie oddziaływania posiadają jednakow y promień 0,2 m i prawie jednakową prędkość końcową odpowiednio Wj=2,49 m/s i w¡=2,22 m/s. Z powodu wysokiej prędkości w środku niebezpieczeństwo przeciągu je s t wyższe kiedy osoba usytuowana je s t w regionie pełnego rozwinięcia strugi w przeciwieństwie do usytuowania w początkowym regionie.

Na rys.5.12 porównano profile prędkości zmierzonej podczas badań, w strefie oddziaływania znajdującej się w początkowym i rozwiniętym obszarze dwóch strug.

Chociaż średnia prędkość końcowa była prawie taka sama, rozkład prędkości był różny.

Z powodu wysokiej wartości prędkości końcowej w środku obszaru oddziaływania, zanotowano większe odczuwanie przeciągu (największe na szyję), kiedy obiekty badań znajdowały się w obszarze pełnego rozwinięcia strugi chłodzącej. Obliczenia Melikova i in.l994b pokazują, że dla uzyskania jednakowych warunków usuwania ciepła z manekina, wynoszącego 40 W/m2 potrzebna jest moc cieplna 7,1 kW, jeżeli strefa oddziaływania zlokalizowana jest w strefie pełnego rozwinięcia strugi i tylko 3,3 kW jeżeli zlokalizowana jest w strefie początkowej strugi. Dlatego podczas stosowania indywidualnego chłodzenia zaleca się, aby strefa oddziaływania była zlokalizowana możliwie najbliżej wylotu strugi.

Zalecenia projektow e

Podczas stosowania systemu miejscowego chłodzenia zaleca się indywidualną regulację prędkości i temperatury strugi. Pożądana jest systemowa możliwość wyboru odległości od wylotu i kierunku strugi. Człowiek powinien znajdować się możliwie najbliżej wylotu strugi; zaleca się stosowanie dyszy wylotowej o dużej średnicy.

Zaleca się projektowanie systemu miejscowego chłodzenia z m aksymalną prędkością końcową na stanowisku pracy wynoszącą 2,2 m/s i lokalną maksymalną prędkością 4,2 m/s. Zaleca się projektowanie systemu miejscowego chłodzenia dla zakresu lokalnej temperatury na stanowisku pracy zgodnie z rys. 5.9.

Dogodne warunki cieplne m ogą być osiągnięte zarówno przez pionow ą i poziomą strugę; pionowa struga ma w iększą moc chłodnicza w stosunku do strugi poziomej. Przy temperaturze otoczenia powyżej 35°C, zaleca się łączyć pionowa strugę, kask i odpowiednio zmodyfikowany ubiór chroniący szyję przed przeciągiem.

Indywidualne chłodzenie może redukować u pracowników stres powodowany gorącem oraz zapewniać dogodne warunki komfortu cieplnego przy temperaturze poniżej 38°C; powyżej 38°C dyskomfort spowodowany zimnym przeciągiem i ciśnieniem strugi będzie zbyt wysoki.

Niska turbulencja strugi będzie zapobiegać intensywnemu mieszaniu strugi z powietrzem w pomieszczeniu i zwiększać pojemność chłodniczą strugi.

5.4 Odczuwana jakość powietrza i warunków cieplnych przy indywidualnym