Odczuwana jakość powietrza i warunków cieplnych przy indywidualnym systemie

Badania jakości powietrza wewnętrznego związane są zwykle z "syndromem chorego budynku" (Pejtersen i in.1999). Ostatnie prace z tego zakresu wskazują, że niewłaściwa jakość powietrza wpływa również na produktywność użytkowników pomieszczeń (Wargocki i in.1999). Dostarczenie użytkownikom dobrej jakości powietrza jest więc istotne zarówno z uwagi na aspekty zdrowotne jak i opłacalne z punktu widzenia jakości i efektywności pracy.

Współcześnie w budynkach biurowych wykorzystywany jest najczęściej system wentylacji mieszającej MVS (z ang. mixing ventilation system). Czyste powietrze dostarczane nawiewnikami umiejscowionymi daleko od użytkowników miesza się z powietrzem w pomieszczeniu zmniejszając stężenie zanieczyszczeń. Oczywistą

’autorzy: Quigfan Z Kaczmarczyk J Melikov A K Fanger P O tłum. Baranowski A. red. Trzeciakiewicz Z

170 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

osiągnie strefę oddychania, miesza się z zanieczyszczeniami w pomieszczeniu.

Stwierdzono, że niższa entalpia wdychanego powietrza poprawia ocenę jego jakości (Fang i in.1998) a więc dostarczanie czystego powietrza o niskiej entalpii bezpośrednio do strefy oddychania użytkowników może spowodować poprawę odczuwanej jakości powietrza (Fanger2000). Użycie Indywidualnego Systemu Wentylacji PVS (z ang. personalized ventilation system) umożliwia każdemu z użytkowników pomieszczenia indywidualny dobór strumienia powietrza, a także jego temperatury i kierunku nawiewu. PVS stwarza więc możliwość usatysfakcjonowania większości użytkowników jak również ograniczenia nakładów energii.

Temperatura pow ietrza w pomieszczeniach zgodnie z obowiązującymi normami (ISO1994; ASHRAE ) powinna wynosić od 20°C do 26°C. Dopuszczalny jest wzrost temperatury powietrza w pomieszczeniu do 28°C w przypadku, gdy użytkownicy mogą indywidualnie regulować prędkość powietrza (ASHRAE1992). Można oczekiwać, że indywidualny dobór parametrów powietrza zewnętrznego poprawi odczucia jakości powietrza wtedy, gdy jest ono chłodniejsze niż powietrze w pomieszczeniu - jednak niska temperatura powietrza i jego duża prędkość m ogą powodować odczucie dyskomfortu wywołanego przeciągiem. W celu zaprojektowania indywidualnej wentylacji niezbędna jest znajomość reakcji użytkowników na nieizotermiczność i lokalizację strug powietrza.

Konieczne jest ustalenie preferencji użytkowników co do maksymalnego natężenia przepływu powietrza i jego najniższej temperatury w zakresie opisanym normami.

Metodyka badań

Badania przeprowadzone były w pokoju biurowym o wymiarach LxW xH=6x6><3m z sześcioma stanowiskami komputerowymi, z których każde wyposażone było w indywidualny system wentylacji PVS, dostarczający powietrze świeże.

Końcówka urządzenia dostarczającego powietrze nazywana dalej ruchomym panelem, wybrana została spośród dostępnych konstrukcji (Melikov i in.2001). Wybrany panel 0 kształcie pół-cylindra wyposażony jest w okrągły otwór (0 8 0 mm) wlotu powietrza 1 prostokątny (240x75 mm) wypływu powietrza. Wewnątrz zamontowany jest specjalny aluminiowy profil, wymuszający równomierny przepływ powietrza. Podwieszenie urządzenia na ruchomym wysięgniku umożliwia użytkownikowi ustawienie w pożądanej pozycji, możliwa jest również zmiana kierunku dostarczanego strumienia powietrza poprzez obrót panela. Układ klimatyzacyjny użyty do przygotowania i dostarczania powietrza zewnętrznego do poszczególnych stanowisk komputerowych umieszczono w sąsiadującym pomieszczeniu. N a rys. 5.13 przedstawiono układ pomieszczenia, w którym przeprowadzono badania. Pokój podzielono przegrodą na dwie części.

Za przegrodą powieszono stary, 20-letni dywan, będący źródłem zanieczyszczeń. Celem wymieszania powietrza w pomieszczeniu zastosowano mały wentylator. Prędkość powietrza w strefie przebywania ludzi była niewielka, poniżej 0,1 m/s. Na środku pokoju ustawiono stół z krzesłami, przy czym odległość pomiędzy stołem i stanowiskami pracy była na tyle duża, że możliwe było pełne wymieszanie powietrza dostarczanego indywidualnie do poszczególnych stanowisk z powietrzem w pobliżu stołu, a więc jakość powietrza przy stole była porównywalna z jego parametrami w całym pomieszczeniu.

Badania przeprowadzone zostały w cyklu siedmiu eksperymentów, podczas których zmieniano temperaturę powietrza w pomieszczeniu (T„) i temperaturę powietrza dostarczanego do indywidualnych systemów wentylacji (Tpy): 1) 7'a=23°C, Tpv=20 C;

2) 7V=230C, 7>=23°C; 3) 7> 26°C , 7>v=20oC; 4) 7V=26°C, Tpv=23°C\ 5) Ta=26°C,

7’pv=26°C; 6) Ta=28°C, Tpv=23°C; 7)7’0=28°C, Tpv=26°C. Podczas wszystkich eksperymentów utrzymywano w pomieszczeniu wilgotność względną na poziomie 30 %.

W badaniach uczestniczyło 30 studentów w wieku od 20 do38 lat, w tym 16 kobiet i 14 mężczyzn. Wszystkie osoby były zdrowe i niepalące. Uczestnicy eksperymentu zostali podzieleni na 5 grup po 6 osób. Każda grupa brała udział w siedmiu 160 - minutowych eksperymentach przeprowadzanych rano w określonych dniach tygodnia.

Rys. 5.13 Pokój biurowy z 6 stanowiskami komputerowymi i źródłem zanieczyszczeń za przegrodą

Przed rozpoczęciem badań uczestnicy zostali zapoznam z procedurą zaplanowanego eksperymentu oraz sposobem używania indywidualnych systemów wentylacyjnych PVS.

Każdy eksperyment składał się z pięciu 20-minutowych sesji, podczas których uczestnicy siedzieli przy stanowiskach komputerowych, korzystając z PVS oraz 10 minutowych przerw, gdy zajmowali miejsce przy stole, na środku pokoju. Pierwsze 20 minut eksperymentu przeznaczone było na indywidualną adaptację każdego uczestnika - poprzez zmianę ubioru - dla uzyskania neutralnych odczuć cieplnych oraz ustawienia panelu dostarczającego powietrze w dogodnej dla każdego pozycji. W tym czasie strumień powietrza dostarczanego przez PVS (P;y) utrzymywany był na poziomie 10 l/s. Podczas następnych czterech 20 minutowych sesji strumień powietrza wynosił odpowiednio 5,10,15 i 20 l/s, przy czym kolejność stosowania poszczególnych wartości była przypadkowa zarówno w relacji do warunków poszczególnych eksperymentów jak i grup uczestników. Ponieważ powietrze zewnętrzne dostarczane było wyłącznie przez panele pVS, całkowita jego objętość wpływająca do pomieszczenia zmieniała się wraz ze zmianą Rpy ■ Stała temperatura w pomieszczeniu, zgodna z zaplanowanymi warunkami eksperymentu, utrzymywana była za pomocą grzejników i wentylatora mieszającego ulokowanych za przegrodą. Ustawienie panelu z nawiewnikiem powietrza wybrane przez uczestników badań przy końcu pierwszej sesji pozostawało niezmienne podczas czterech następnych sesji, gdy zmianie ulegał dostarczany strumień powietrza VFy. Wybrane przez

172 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

poszczególnych uczestników ustawienia paneli były dokumentowane na fotografiach.

Podczas każdej z sesji jej uczestnicy zajęci byli pisaniem tekstów na swoich komputerach.

Dodatkowo, co 5 minut, wypełniali kwestionariusze odnoszące się do odczuwanej jakości powietrza, a co 10 minut relacjonowali swoje odczucia co do warunków cieplnych i przepływu powietrza. Na koniec każdej z sesji, jej uczestnicy zajmowali miejsce przy stole i dokonywali oceny jakości powietrza w tym miejscu i następowała 10 minutowa przerwa w eksperymencie, podczas której prowadzący badania zmieniali wartość V ' na poszczególnych stanowiskach Po przerwie uczestnicy powracali na chwilę do stanowisk komputerowych celem odświeżenia swego zmysłu powonienia, a następnie dokonywali ponownie oceny jakości powietrza przy stole. Po tych czynnościach rozpoczynała się kolejna, 20 minutowa sesja badawcza przy stanowiskach pracy. Opisana procedura była powtarzana w czasie każdej części eksperymentu.

Ocena odczuwanej jakości powietrza dokonywana była w oparciu o skalę akceptowanych wartości zaproponowaną w pracy Fanga i in .'998. Oceny powietrza przeliczane były na odsetek niezadowolonych za pom ocą aproksymacji uzyskanych danych funkcją uzyskaną w pracy Gunnarsena i Fangera1 92. Ocena dyskomfortu wywołanego przeciągiem oceniana była przez uczestników eksperymentu poprzez odpowiedź na dwa pytania: 1) czy odczuwany był ruch powietrza i 2) czy ruch powietrza dawał odczucie komfortu czy też był odbierany negatywnie. Odpowiedź wskazująca na dyskomfort notowana była jako przeciąg. Dane uzyskane z eksperymentu opracowywane były przy użyciu odpowiedniego programu komputerowego.

W yniki, dyskusja w yników

Głównym celem eksperymentu było ustalenie, czy PVS poprawia odczuwalnąjakość powietrza w porównaniu z MVS, przy tej samej ilości dostarczanego do pomieszczenia powietrza zewnętrznego. Pierwsza ocena odczuwanej jakości powietrza w układzie PVS była porównywana z również pierw szą oceną dokonywaną przy stole na zakończenie każdej sesji badań. Poziom akceptacji jakości powietrza przez badanych opracowany został metodami statystycznymi - sprawdzono, czy rozkład wyników daje się aproksymować krzyw ą rozkładu normalnego, a następnie wykorzystano procedurę ANAOVA (analizy wariancji). Stwierdzono istotny poziom akceptacji przez badanych układu PVS (p<0,02) w porównaniu z MVS dla wszystkich warunków eksperymentu.

Średnie wartości poziomu akceptacji przedstawiono w tabeli 1.

Temperatura powietrza w pomieszczeniu (Ta) ma istotny wpływ (p<0,03) na poprawę oceny odczuwanej jakości powietrza dostarczanego układem PVS - odsetek niezadowolonych rośnie wraz ze zwiększaniem się Ta. Przy tej samej wartości Ta i Va efekt zastosowania PVS był lepszy przy wyższej temperaturze powietrza w pomieszczeniu.

Uzyskane wyniki sugerują, że PSV jest korzystniejszy, zarówno z punktu widzenia odczuwanej jakości powietrza jak i oszczędności energii wtedy, gdy temperatura w pomieszczeniu utrzymywana jest raczej w górnym zakresie dopuszczalnych normami wartości, niż dla normowych wartości minimalnych. Wyniki przedstawione w tabeli 5.2 pokazują również, że zastosowanie MVS powoduje konieczność dostarczania strumienia powietrza większego niż 20 l/s, aby odsetek niezadowolonych osiągnął wartość mniejszą niż 9%, przy poziomie zanieczyszczeń powietrza takim, jak w przeprowadzonym eksperymencie.

Tab. 5.2 Odsetek niezadowolonych przy ocenie odczuwanej jakości powietrza w układach PVS i MVS dla różnych wartości Ta i Tpv

Ta (°C)

Tpv (°C)

Strumień powietrza zewnętrznego (l/s)

5 10 15 20

23 PVS 20 5 4 5 4

23 6 4 4 4

MVS 11 10 8 11

26 PVS 20 11 7 7 6

23 15 15 10 8

26 12 7 11 9

MVS 25 20 25 23

28 PVS 23 21 16 14 11

26 25 20 25 23

MVS 47 42 36 28

Analizując wyniki badań można również zauważyć, że odsetek niezadowolonych przy zastosowaniu PVS ze strumieniem powietrza 5 l/s był zdecydowanie mniejszy (p<0,05) niż przy MVS gdy dostarczany strumień powietrza wynosił 20 l/s, co oznacza, że MVS dostarczający 4 razy więcej świeżego powietrza do pomieszczenia niż PSV nie jest w stanie usatysfakcjonować tylu użytkowników, co PVS. Wyniki badań w skazują na duże potencjalne możliwości oszczędności energii przy zastosowaniu PVS.

Analizie poddano również ocenianie odczuwanej jakości powietrza podczas sesji adaptacyjnej z wykorzystaniem PVS. Wyniki pokazują, że przy temperaturze powietrza w pomieszczeniu Ta- 23°C odczucia badanych były znacznie lepsze (p<0,05) gdy temperatura dostarczanego indywidualnie powietrza, Tpv, była niższa. Podobne rezultaty otrzymano przy temperaturze powietrza w pomieszczeniu równej 26°C i 28°C (p<0,l), nie stwierdzono jednak znaczącego wpływu Tpv na odczuwaną jakość powietrza po sesji adaptacyjnej. M ożliwym powodem braku takiej korelacji może być to, że uczestnicy eksperymentu przystosowali się do temperatury T ^, a 10-minutowe przerwy nie wpływały znacząco na zmianę odczuwania badanych.

Analizując wyniki badań zaobserwowano duże różnice w preferencjach badanych co do prędkości i kierunku powietrza dostarczanego w systemie wentylacji indywidualnej - niektórzy pozytywnie odbierali większe prędkości powietrza, inni natomiast wykazywali dużą wrażliwość na ruch powietrza. Znajomość maksymalnej wartości strumienia powietrza akceptowanej przez co najmniej 95% użytkowników jest ważnym parametrem przy projektowaniu układu PVS, zwłaszcza doboru wentylatora. Przedstawiona poniżej metoda wyjaśnia sposób postępowania dla identyfikacji maksymalnej preferowanej wartości V .

W celu wyznaczenia największej, preferowanej wartości Vpv, odpowiedzi wszystkich użytkowników dotyczące odczuwanej jakości powietrza i odczucia przeciągu zostały przeanalizowane oddzielnie. Na rys. 5.14 przedstawiono przykład akceptowanych wartości odczuwanej jakości powietrza dostarczanego przez PVS oraz odczuć przeciągu w zależności od strumienia przepływającego powietrza ( P ) według ocen jednego z wybranych uczestników eksperymentu dla Ta=23°C i Tpv=20 °C. W rażenie odczucia

174 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

przeciągu opisano odpowiednio liczbą 0 przy braku przeciągu i 1 gdy uczestnik badań odczuwał dyskomfort wywołany przeciągiem.

Wyniki przedstawione na rys. 5.14 wskazują, że obiekt badań nie odczuwał przeciągu gdy V zmieniało się w zakresie od 5 do 20 l/s, natomiast akceptacja jakości powietrza wzrastała od 0,09 do 0,51 i przy 15 l/s wynosiła już 0,47. W zrost akceptacji wyniósł tylko 0,04 gdy V zmieniało się od 15 do 20 l/s. Zgodnie ze związkiem funkcyjnym opracowanym przez Gunnarsena i Fangera1992, wzrost średniej akceptacji o 0,05 zmniejsza odsetek niezadowolonych o mniej niż 5%.

strumień powietrza, l/s

Rys. 5.14 Przykład akceptacji wdychanego powietrza i odczucia przeciągu w zależności od strumienia powietrza dla wybranego uczestnika eksperymentu

Dodać należy, że niepewność oceny odsetka niezadowolonych wynosiła ok. 4%, ponieważ w eksperymencie brało udział jedynie 30 osób. Biorąc pod uwagę te wyniki, ustalono następujące kryterium wyznaczania największego, preferowanego strumienia powietrza V : zwiększenie strumienia powietrza o 5 l/s wywołuje wzrost akceptacji mniejszy niż 0,05. Stosując taki warunek, maksymalna, preferowana wartość Qpv wynosi

15 l/s (rys. 5.14), co oznacza, że akceptowana przez użytkowników odczuwalna jakość powietrza nie przekroczy wartości 0,05 przy zwiększeniu V od 15 do 20 l/s.

Analizując w ten sam sposób odpowiedzi wszystkich uczestników przeprowadzonych badań stwierdzono, że preferowana, największa wartość V wynosi 20 l/s i taka wartość powinna być zalecana w układzie indywidualnego systemu wentylacji.

Przedstawione w pracy wyniki uzyskano przy zastosowaniu jednego, wybranego typu nawiewnika dostarczającego powietrze. Dalsze badania powinny być przeprowadzone z wykorzystaniem innych, dostępnych typów nawiewników.

Z przeprowadzonych badań wynikają następujące wnioski:

• Indywidualny system wentylacji zdecydowanie poprawia odczuwaną jakość powietrza użytkowników.

• Najlepsze efekty uzyskuje się przy podwyższonej temperaturze powietrza w pomieszczeniu.

• Zindywidualizowanie temperatury powietrza wpływa na odczucie jakości powietrza tylko w początkowej fazie stosowania indywidualnego systemu wentylacji - po 30 minutach nie stwierdzono ju ż żadnego wpływu zmienności temperatury na odczucia użytkowników.

• Zalecana, projektowa wartość strumienia powietrza w indywidualnym systemie wentylacji powinna wynosić 20 l/s.

• Istnieje konieczność prowadzenia dalszych badań indywidualnego systemu wentylacji dla różnych rozwiązań konstrukcyjnych.

5.5 Indywidualna kontrola i preferencje ludzi w eksperymencie z systemem