3. KOMFORT CIEPLNY
3.5. Wpływ kierunku przepływu powietrza na odczucie przeciągu
Ruch powietrza w pomieszczeniach zależy od systemu wentylacji oraz wnętrza pomieszczenia. W pomieszczeniach wentylowanych mechanicznie, typ systemu wentylacji decyduje o charakterystykach przepływu, w tym również o kierunku przepływu powietrza Przy tradycyjnej wentylacji mieszającej powietrze jest zazwyczaj dostarczane przez nawiewniki umieszczone blisko sufitu. Tak więc, ludzie w pomieszczeniu będą poddani oddziaływaniu nawiewów powietrza pionowo z góry lub poziomo z dowolnych kierunków. Przy wentylacji wyporowej zimniejsze powietrze jest dostarczane blisko podłogi, bezpośrednio w strefę przebywania ludzi i usuwane poprzez wywiewniki zlokalizowane blisko sufitu. Dostarczane powietrze jest rozpraszane wzdłuż podłogi i unosi się w górę w pomieszczeniu. Wentylacja podłogowa jest raczej now ą i wciąż nie tak popularną m etodą wentylowania pomieszczeń, gdzie powietrze jest dostarczane poprzez podłogę i usuwane blisko sufitu. Istnieje kilka innych typów systemów wentylacyjnych, z których wszystkie pow odują różne przepływy powietrza z różnych kierunków. Z tego powodu wybrany typ systemu wentylacyjnego określa kierunek przepływu powietrza z otworu nawiewnego do otworu wywiewnego, co wpływa na warunki komfortu osób przebywających w pomieszczeniu. Dodatkowo, wnętrze pomieszczenia, np. lokalizacja mebli względem nawiewników, może wpływać na warunki przepływu powietrza.
W wyniku przeprowadzonych badań określono wpływ kierunku przepływu powietrza na odczucie przeciągu, tzn. sprawdzono czy związek pomiędzy odczuwanym dyskomfortem ze względu na przeciąg i prędkością, temperaturą powietrza i intensywnością turbulencji je st taki sam dla przepływów powietrza z różnych kierunków.
Metoda badań wpływu kierunku przepływu powietrza na odczucie przeciągu
Prezentowane badania dotyczą osób pracujących w biurach. We wszystkich eksperymentach, osoby biorące w nich udział, siedziały przy biurku, przy którym mogły czytać bądź pisać. Wszystkie osoby poddane były działaniu stopniowo wzrastających średnich prędkości powietrza z pięciu różnych kierunków: poziomych z przodu, z tyłu i z lewej strony oraz pionowych z góry i z dołu. W każdym eksperymencie kierunek strumienia powietrza oraz temperatura powietrza były stałe. Celem było uzyskanie neutralnych odczuć cieplnych, t.j. osoby nie powinny odczuwać ani nadmiernego ciepła ani nadmiernego zimna. Podczas pierwszych 45 minut eksperymentu, uczestnicy byli zachęcani do dostosowania swojego ubrania tak, żeby czuć się cieplnie neutralnie. W tym okresie, osoby były poddane działaniu powietrza o stałej prędkości 0,2 m/s. W pozostałych 75 minutach eksperymentu osoby poddane były nawiewowi powietrza ze stopniowo wzrastającymi prędkościami tak ja k pokazano to na rys. 3.14. Wszystkie eksperymenty były prowadzone w komorze klimatycznej, w której temperatura powietrza i temperatura promieniowania były równe. Prędkość tła w komorze wynosiła około 0,06 m/s i skierowana była z podłogi do sufitu.
Generowane przepływy powietrza
Osoby biorące udział były w eksperymencie poddane były działaniu kontrolowanych nawiewów powietrza z pięciu kierunków na dwa identyczne stanowiska badawcze. Stanowisko badawcze składało się z nawiewnika zawierającego dwa wentylatory wywołujące poprzeczny przepływ, elementu symulującego nawiewnik bez
♦autorzy: Toftum J Zhou G M elikov A K tłum. Kuciel A red. Humik M
wentylatorów, biurka oraz krzesła wykonanego z siatki by uniknąć blokowania przepływów powietrza. Żeby ukryć przed uczestnikiem zadawany kierunek strumienia powietrza, nawiewnik i atrapa nawiewnika z wyglądu były identyczne. Przy nawiewie z przodu, z tyłu i z lewego boku, nawiewnik był umieszczony pionowo podczas gdy atrapa położona była poziomo na podłodze komory klimatycznej, jak pokazano na rys. 3.15. Przy nawiewie z dołu nawiewnik był położony poziomo na podłodze a atrapa ustawiona pionowo. Średnia prędkość powietrza w miejscu przebywania osoby była kontrolowana z zewnątrz komory klimatycznej przez zmianę prędkości obrotowej wentylatorów. Nawiew z góry wykorzystywał recyrkulacyjną część powietrza wywiewanego z komory. Powietrze recyrkulacyjne było prowadzone poprzez systemem przewodów z wentylatorem umieszczonym w otworze wywiewnym na suficie komory klimatycznej. Wzrost temperatury powietrza podczas przepływu przez wentylator i kanały był nieznaczny i był w badaniach pominięty.
0,5
3 0,4 -O- v-a
A d ap tacja
*- s—' «0,2 oc
o
0 15 30 45 60 75 90 105 120
C z a s (min)
Rys. 3.14 Planowane średnie prędkości powietrza w eksperymentach.
Rys. 3.15 Stanowisko badawcze - usytuowanie nawiewnika i atrapy względem uczestnika eksperymentu
42 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE
Pomiary i rejestracja danych
Prędkość powietrza, intensywność turbulencji oraz temperatura powietrza były mierzone na wysokościach: 0,1 m, 0,6 m, i 1,1 m pomiędzy nawiewnikiem i osobą w odległości około 0,2 m od osoby oraz na wysokości 1,7 m nad głową osoby.
Charakterystyki przepływów powietrza były mierzone wielokanałowym anemometrem (Dantec Multichannel Flow Analyzer typ 54N10) z wielokierunkowymi sondami ze stałą czasow ą0,1 s. Prędkość i temperatura powietrza były rejestrowane dwa razy na sekundę. Z zarejestrowanych wartości obliczano średnią prędkość i intensywność turbulencji. Czas uśredniania wynosił 220 s. Ponieważ nie udało się uzyskać całkowicie wyrównanego profilu prędkości powietrza na stanowisku pomiarowym, konieczne było więc kontrolowanie przepływu zgodnie z prędkością powietrza m ierzoną w punkcie odniesienia.
Dla nawiewu poziomego średnia prędkość była kontrolowana według pomiarów prędkości na wysokości 1,1 m nad podłogą, dla nawiewu z dołu według pomiarów na wysokości 0,1 m i dla nawiewu z góry według pomiarów na wysokości 1,7 m nad podłogą.
Intensywność turbulencji nie była kontrolowana, lecz przy stałej średniej prędkości powietrza zmieniała się w tym samym zakresie niezależnie od kierunku przepływu powietrza.
Przebieg eksperymentu
W badaniach uczestniczyło 40 osób (20 kobiet i 20 mężczyzn), głównie studentów.
Każda osoba uczestniczyła w 15 eksperymentach. Badane osoby ubrane były w codzienną odzież jednak nie zezwolono na noszenie długich butów, golfów oraz innych części odzieży, które mogły chronić przed ruchem powietrza.
Podczas pierwszych 45 minut eksperymentu, prędkość powietrza była utrzymywana na stałym poziomie 0,2 m/s, która była w przybliżeniu średnią prędkością powietrza nawiewanego podczas pozostałych 75 minut trwania eksperymentu (rys. 3.14). W trakcie pierwszych 45 minut w 15 minutowych przedziałach czasowych uczestnicy eksperymentu byli proszeni o ocenę swojego odczucia cieplnego w 7 punktowej skali z zakresu od
„zimno” do „gorąco” oraz, jeżeli ich odczucie cieplne nie było neutralne, o zmianę swojego ubioru. Podczas kolejnych 15 minutowych przedziałów uczestnicy zostali poddani działaniu stopniowo wzrastających prędkości powietrza: 0,1 m/s, 0,2 m/s, 0,3 m/s i 0,4 m/s. Prędkości powietrza z tego zakresu są typowe dla pomieszczeń z wentylacja naturalną i mechaniczną. N a każdym poziomie prędkości powietrza, uczestnicy oceniali swoje odczucie cieplne trzy razy przy użyciu kwestionariuszy, i zaznaczali czy odczuli ruch powietrza podczas ostatnich pięciu minut, i jeżeli tak, to czy ruch powietrza był niekomfortowy oraz gdzie go odczuli. Kiedy dwie z trzech ocen w którymkolwiek 15-to minutowym przedziale prędkości były niekomfortowe to ta prędkość powietrza została określona jako powodująca odczucie przeciągu.
Wyniki badań wpływu kierunku przepływu powietrza na odczucie przeciągli
Przeciętna średnia prędkość powietrza w każdym z 15 minutowych okresów występowania określonej prędkości dla pięciu kierunków przepływu powietrza została pokazana w tabeli 3.5. Zmierzona średnia prędkość powietrza dla wszystkich kierunków była bliska wartości zaplanowanej, z wyjątkiem nawiewu z góry, gdzie przy planowanych niskich średnich prędkościach powietrza strumienie konwekcyjne nad ludźmi zaburzały przepływ powietrza generowanego mechanicznie.
Tabela 3.5 Planowane średnie prędkości powietrza i odpowiadające im wartości zmierzone we wszystkich 15 minutowych okresach występowania określonej prędkości p rzy pięciu różnych kierunkach przepływu powietrza. Prędkości powietrza zmierzone na wysokości: 1,1 m nad podłogą dla przepływów poziomych, 0,1 m dla przepływów z dołu i 1,7 m dla przepływów z góry Założona średnia Zmierzona średnia prędkość Dowietrza (m/s)
prędkość Nawiew z Nawiew z Nawiew z Nawiew z Nawiew z
powietrza (m/s) dołu góry tyłu przodu boku
0,2 0,21 0,21 0,20 0,20 0,20
<0,1 0,05 0,16 0,07 0,06 0,07
0,1 0,11 0,16 0,12 0.11 0,11
0,2 0,21 0,22 0,20 0,19 0,20
0,3 0,30 0,31 0,29 0,30 0,31
0,4 0,41 0,41 0,39 0,40 0,40
Zakresy intensywności turbulencji zmierzonej dla każdego kierunku przepływu powietrza przedstawiono w tabeli 3.6. Intensywność turbulencji była najniższa przy nawiewie powietrza z dołu i niewiele wyższa przy nawiewach powietrza z przodu, z tyłu i z boku. Intensywność turbulencji dla nawiewu z góry była stosunkowo wysoka ze względu na mieszanie wznoszących się strumieni konwekcyjnych z nawiewem powietrza z nawiewnika umieszczonego w suficie.
Tabela 3.6. Zakresy intensywności turbulencji zmierzone dla każdego z pięciu przyjętych kierunków przepływu powietrza
Intensywność turbulencji
Nawiew z dołu Naw iew z góry Nawiew z tyłu Nawiew z przodu Nawiew z boku
3-6% 16-29% 5-16% 10-23% 9-20%
Ogólne odczucie cieplne.
Rys. 3.16 pokazuje przeciętną ocenę odczuć cieplnych badanych osób w zależności od czasu trwania eksperymentu. Temperatura powietrza wynosiła odpowiednio: 20, 23 i 26°C. Wraz ze wzrostem prędkości podczas ostatnich 75 minut eksperymentu pogarszały się odczucia cieplne. Szczególnie przy temperaturze 20°C, w końcowej fazie eksperymentu odczucie cieplne oceniane było pomiędzy „dość chłodno” a „chłodno”. Przeciętnie, uczestnicy badań oceniali swoje odczucie cieplne między „obojętnie” a „dość chłodno” dla 20°C (-0,2 do —1,3), między „obojętnie” a „dość chłodno” dla 23°C (0 do -0 ,6 ) i między
„obojętnie” a „dość ciepło” dla 26°C (0 do 1). Nie można udokumentować żadnego znaczącego wpływu kierunku przepływu powietrza na ogólne odczucie cieplne.
Wrażliwość na przeciąg
Dla nawiewu z dołu odsetek uczestników odczuwających przeciąg je st związany ze średnią prędkością powietrza m ierzoną na wysokości 0,1 m nad podłogą dla nawiewu z góry z prędkością m ierzoną na wysokości 1,7 m, a dla nawiewów z przodu, z tyłu i z boku z prędkością m ierzoną na wysokości 1,1 m nad podłogą. Odsetek osób odczuwających dyskomfort z powodu przeciągu wzrastał wraz ze wzrostem prędkości i spadkiem temperatury powietrza.
44 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE
Kierunek przepływu powietrza miał wyraźny wpływ na ocenę przeciągu. Przy temperaturach powietrza 20°C i 23 °C, dla przepływów z dołu większość badanych osób odczuwała dyskomfort wywołany przeciągiem. Prawie jednakowy odsetek osób odczuwał przeciąg przy nawiewie z przodu, z tyłu i z boku, natomiast znacznie mniej osób odczuwało przeciąg podczas nawiewu z góry. Przy 26°C największy odsetek niezadowolonych z powodu przeciągu wystąpił przy nawiewie z góry i z tyłu, ale ogólnie, przy tej temperaturze, tylko kilku uczestników zgłaszało uczucie dyskomfortu. Dyskomfort wywołany przeciągiem przeważnie był odczuwany przez części ciała bezpośrednio narażone na ruch powietrza oraz w miejscach, których nie zakrywało ubranie. Te części ciała to: stopy, nogi i dolne partie pleców dla nawiewu z dołu;jkark, ramiona i ręce przy nawiewie z góryj kark, ramiona, plecy i nogi przy nawiewie z tyłu;- twarz, ręce i kolana przy nawiewie z przodu; oraz kolano i ramię od strony nawiewnika przy nawiewie z boku.
Omówienie wyników badań
Badania wykazały, ze kierunek przepływu powietrza ma wpływ na odczuwany dyskomfort wywołany przeciągiem oraz, że związek między kierunkiem przepływu powietrza a przeciągiem zależny od poziomu temperatury. Przy temperaturze powietrza 20°C i 23°C najwięcej osób zgłaszało dyskomfort przy nawiewie z dołu, podczas gdy nawiew z góry powodował mniejszy dyskomfort. Natomiast przy 26°C najwięcej uczestników badań zgłaszało odczucie dyskomfortu przy nawiewie z góry. Wskutek różnicy temperatur między powierzchnią ciała człowieka a otaczającym powietrzem powstaje warstwa wznoszącego powietrza wokół i nad osobą wywołana przez naturalną konwekcję. Przy zadanych poziomach temperatur strumień konwekcyjny wzrastał wraz ze spadkiem temperatury powietrza. Przy nawiewie z góry strumień konwekcyjny przeciwdziałał napływaniu strumienia powietrza wentylacyjnego i zmniejszał wymuszone chłodzenie konwekcyjne powierzchni skóry. Zatem dyskomfort wywołany przeciągiem przy nawiewie pionowym w dół jest do pewnego stopnia redukowany w zależności od różnicy temperatur między powierzchnią skóry człowieka i otaczającego powietrza.
Pomimo tego, że uczestnicy w regularnych odstępach czasu byli zachęcani do zmiany swojego ubioru, nie było możliwe utrzymanie podczas całego eksperymentu neutralnych odczuć cieplnych. Przy 20°C ogólne odczucia cieplne były oceniane jako
„dość chłodno” przy 23°C zawierały się między „obojętnie” a „dość chłodno”, a przy 26°C zawierały się między „obojętnie” a „dość ciepło” Wcześniejsze badania wykazały, że osoby, które oceniają swoje odczucia cieplne jako „dość chłodno” lub „chłodno” są bardziej wrażliwe na przeciąg niż osoby oceniające swoje odczucia cieplne jako
„obojętnie” i „dość ciepło” (Pedersen1977; Toftum i Nielsen ). Jest prawdopodobne, że odsetek osób odczuwających dyskomfort ze względu na przeciąg przy temperaturach 20°C i 23°C jest wyższy niż mógłby być oczekiwany w stosunku do osób o neutralnych odczuciach cieplnych.
Uczestnicy badań odczuwali przeciąg na częściach ciała bezpośrednio wystawionych na ruch powietrza oraz na częściach ciała nie zakrytych ubraniem. Podobnie jak we wcześniejszych badaniach (Pedersen ; Fanger i Christensen1986; Fanger i inni1988) najwięcej skarg ze względu na przeciąg dotyczyło rejonu głowy (szyja, twarz i barki).
Duża liczba skarg na przeciąg została zaobserwowana również na stopach i łydkach przy nawiewie z dołu i na rękach przy nawiewie z góry i z przodu.
1
0.5
0 -0.5 PMV
-1
-1.5
-2
0
1
0.5
0 -0.5 PMV
-1
-1.5
-2 0
1 0.5
0 -0.5 PMV
-1
-1.5
-2
- • - Z dołu
Z dołu
— Z góry — Z tyłu Z przodu Z boku
_ł--- i---
1---30 45 60 75 90 105 120
Czas (min)
- » -Z góry — Z tyłu Z przodu Z boku
_ 1--- 1--- 1--- 1---
i---30 45 60 75 90 105 120
Czas (min)
Czas (min)
Rys. 3.16 Średnia ocena odczuć równowagi termicznej całego ciała (n -4 0 ) w funkcji czasu dla pow ietrza nawiewanego z pięciu różnych kierunków. Temperatura powietrza: góra: 20X1, środek: 23 X , dół: 26 X
46 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE
Wykorzystując przedstawione wyniki badań, można rozwinąć przedstawiony w pracy Fangera i in.198 model wskaźnika przeciągu, tak aby uwzględniał on wpływ kierunku przepływu na przewidywany odsetek niezadowolonych ze względu na przeciąg.
Dla osób neutralnych cieplnie, wykonujących pracę w pozycji siedzącej, ubranych w zwykłe codzienne ubranie, model wskaźnika przeciągu przewiduje odsetek niezadowolonych ze względu na przeciąg odczuwany w rejonie głowy. Model obowiązuje dla osób skierowanych plecami do nawiewu powietrza. N a rys. 3.17 przedstawiono porównanie odsetka niezadowolonych przewidywanego na podstawie modelu ryzyka przeciągu ż zaobserwowanym w trakcie badań odsetkiem niezadowolonych ze względu na przeciąg w rejonie głowy przy nawiewie z tyłu.
■g 40
>»
C0 1 30
■oo 8o 20
ńCc0 1 10
■oO 0
Rys. 3.17 Porównanie obliczonych przewidywań na podstawie równania ryzyka przeciągu z zaobserwowaną podczas badań oceną ryzyka przeciągu dla rejonu głowy przy nawiewie z tyłu
Rysunek pokazuje stosunkowo dobrą zgodność między zaobserwowanym a wyliczonym odsetkiem niezadowolonych ze względu na przeciąg dla uczestników poddanych nawiewowi z tyłu. Jednakże, przy 23°C i 26°C model przewiduje wyższy odsetek niezadowolonych niż zaobserwowany podczas badań. W celu dostosowania modelu do przewidywania ryzyka przeciągu przy nawiewie powietrza z dowolnego kierunku proponuje się wprowadzenie do modelu wskaźnika wyrażającego stosunek odsetka niezadowolonych przy dowolnym kierunku nawiewu powietrza do odsetka przy nawiewie z tyłu.
Wpływ kierunku przepływu powietrza na dyskomfort wywołany przeciągiem został udokumentowany. Ilościowo, wpływ ten jest zależny od temperatury powietrza. Przy 20°C i 23°C większość osób odczuła dyskomfort podczas nawiewu z tyłu, podczas gdy przy 26°C większość osób odczuła dyskomfort przy nawiewie z góry. W nowych poradnikach kryteria przeciągu powinny być przedstawione bardziej szczegółowo. W ocenie przeciągu kierunek przepływu powietrza powinien być uwzględniony.
...• • '20°c
■
...■ ■•''23°C
2 6 °C
0.1 0.2 0.3 0.4
Średnia prędkość powietrza (m/s)
3.6 Ekwiwalentna częstotliwość - nowy parametr charakteryzujący częstotliwość