Wpływ osobistej wentylacji miejscowej na odczucia cieplne: porównanie stałego

Dotychczas zrealizowano kilkanaście prac badawczych dotyczących odczuć cieplnych człowieka na przepływy powietrza. Fluktuacyjny charakter przepływu uznany został jako bardziej dyskomfortowy niż przepływ laminamy, zwłaszcza w przypadkach, gdy częstotliwość fluktuacji zawierała się w zakresie 0,3 do 0,5 Hz (F anger, Petersen l977).

Gdy temperatura powietrza była wyższa od 26°C, podnoszenie prędkości (aż do 1 m/s przy temperaturze 29,5°C) było akceptowalne a wysoka turbulencja postrzegana była jako korzystna (Rohles i in. ). Tanabe i Kimura stwierdzili, że przepływ fluktuujący ma większy efekt chłodzący niż przepływ stały, podczas gdy badania prowadzone przez Arensa i in.1988 dowodzą, że stały przepływ posiada lepszy efekt chłodzący przy tej samej prędkości średniej. Jia zbudował specjalne urządzenie dla generowania „przepływu naturalnego” działającego w oparciu o analizy spektrum prędkości powietrza otaczającego.

Przeprowadzone przez niego badania dowodzą, że „przepływ naturalny” jest bardziej preferowany przez ludzi, niż inne: fluktuujący bądź stały.

Głównym celem prowadzonych badań było rozpoznanie fluktuacji przepływu powietrza w systemie osobistej wentylacji miejscowej PVS. Oczekuje się, że dzięki PVS możliwa będzie poprawa odczuwania jakości powietrza, poprzez dostarczanie świeżego

‘ autorzy: Iianrong Y Melikov A K Fangr P O Xianting L Qisen Y tłum. i red. T rzedakiew icz Z.

powietrza bezpośrednio w kierunku strefy oddychania ludzi. Oczekuje się także, że dzięki PVS będzie istniała możliwość indywidualnej kontroli prędkości przepływu powietrza i jego kierunku. W celu badań mieściło się również zidentyfikowanie najbardziej akceptowanego przez ludzi charakteru fluktuującego przepływu powietrza zapewnianego przez PVS i porównanie go ze stałym przepływem powietrza.

M etodyka b ad ań

Warunki prowadzenia badań:

Badania były przeprowadzone w pomieszczeniu biurowym (Lx\VxH = 6x6x3 m3), które było podzielone na dwie części przegrodą. W pomieszczeniu znajdowało się sześć biurek usytuowanych po jednej stronie przegrody, z wbudowanymi nawiewnikami PVS.

Osoby przebywające w pomieszczeniu mogły w łatwy sposób zmieniać położenie nawiewników, kierunek i wydatek powietrza nawiewanego.

Powietrze zewnętrzne było ogrzewane i ewentualnie nawilżane w przyległym pomieszczeniu i dostarczane przez system osobistej wentylacji miejscowej PVS. Podczas całego eksperymentu temperatura powietrza w pomieszczeniu była stała i wynosiła 28°C a temperatura powietrza dostarczanego przez PVS wynosiła 25°C. Wilgotność względna powietrza w obydwu przypadkach była utrzymywana na poziomie 30%. Osoby przebywające w pomieszczeniu badawczym były proszone o dokonywanie korekty położenia nawiewników i wydatku powietrza w czasie wykonywania normalnych prac biurowych. W pomieszczeniu zainstalowany był system zapewniający stały wydatek powietrza dla pomieszczenia badawczego w ilości 20 l/s, niezależnie od wydatku powietrza indywidualnej wentylacji miejscowej każdego miejsca pracy. N a rys. 5.18 przedstawiono cztery wykresy przedstawiające zmiany w czasie, prędkości powietrza dostarczanego przez PVS. Oprócz przypadku przepływu powietrza ze stałą prędkością, przedstawiono trzy przypadki przepływów sinusoidalnie fluktuujących o częstotliwościach odpowiednio: 0,1 Hz, 0,2 Hz, 0,3 Hz..

u t a o , o i

Rys. 5.18 Cztery rodzaje widma prędkości powietrza nawiewanego przez PVS

182 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

Prowadzenie badań

Badania zawierały dwa cele eksperymentalne: (1) identyfikacja najbardziej akceptowanego z trzech okresowo zmiennych przepływów powietrza, (2) porównanie tego przepływu z przepływem ze stałą prędkością w odniesieniu do warunków komfortu cieplnego człowieka i odczuwanej jakości powietrza.

W badaniach brało udział piętnaście osób, które podzielono na 5 grup do uczestniczenia w eksperymencie (1). Po wejściu do pomieszczenia osoby biorące udział w badaniach (obiekty badań) zajmowały miejsca siedzące w środku pomieszozenia.

W czasie pierwszych 20 minut następowała adaptacja cieplna i ewentualna zmiana odzieży. W tym czasie wyjaśniano również jak posługiwać się systemem PVS (tzn. na czym polega dostosowanie położenia nawiewnika i ustawienie prędkości powietrza nawiewanego). Następnie każda osoba biorąca udział w badaniach siedziała przy biurku przez 15 minut i była poddawana oddziaływaniu trzech rodzajów przepływu fluktuacyjnego. Te trzy rodzaje ruchu były generowane dla wszystkich osób. Każdy z rodzajów mchu trwał 5 minut i pozwalał na potwierdzenie w kwestionariuszu odczuwania komfortu cieplnego i odczuwanej jakości powietrza. Na końcu każdego eksperymentu osoby były proszone o uszeregowanie m chu powietrza według różnych wzorów zgodnie z ich generalną oceną i preferencjami.

Dwanaście osób biorących udział w badaniach podzielono na 4 grupy biorące udział w eksperymencie (2). Trwał on 75 minut dla każdej grupy. Przed wejściem do pomieszczenia, osoby poproszono o włożenia standardowego ubioru, który był dostarczony przez prowadzącego badania. Izolacyjność cieplna ubiom wynosiła w przybliżeniu 0,6 clo. Czas adaptacji został zmieniony i wynosił 30 minut, a osoby oceniały środowisko w pomieszczeniu w tym czasie czterokrotnie. Po adaptacji odbywały się dwie sesje badawcze, w czasie których osoby zajmowały miejsce przy biurkach wyposażonych w PVS i były poddawane oddziaływaniu stałego i fłuktuującego przepływu powietrza.

Każdy rodzaj przepływu trwał 15 minut. Przed zmianą rodzaju przepływu występowała 5 minutowa przerwa. Obiekty badań dokonywały oceny środowiska w czasie przerwy w badaniach.

W yniki b ad ań i dyskusja

Wyniki przedstawione na rys. 5.19 pokazują że w odniesieniu do odczuć cieplnych osoby były najmniej niezadowolone z przepływu z częstotliwością 0,3 Hz, lecz najbardziej niezadowolone z przepływu z częstotliwością 0,1 Hz (p<0.1). Jest to zgodne z wcześniejszymi wynikami badań, odnoszącymi się do przepływu z częstotliwościami 0.3-0.5 Hz, który wywołuje większy efekt chłodzący niż przepływy o innych fluktuacjach (Fanger i Petersen , X ia i in. °°°). W odniesieniu do jakości powietrza, wyniki przedstawione na rys. 5.20 pokazują że przepływ o częstotliwości 0,2 Hz był oceniany lepiej niż przepływ o częstotliwości 0,3 Hz (p<0.08). Jest wiadome, że człowiek oddycha w czasie 4 -5 sekund (Proctor i Anderson1982), co w przybliżeniu jest bliskie częstotliwości 0,2 Hz.. Może to stanowić wyjaśnienie wyników przedstawionych na rys. 5.20, chociaż wiadomo, że trudno jest zsynchronizować oddychanie z fluktuacjami przepływu powietrza przez cały czas trwania eksperymentu. Porównawczo, odczucia osób były bardziej negatywne gdy spowodowane były wpływem wyższej częstotliwości (0,3 Hz), niż niższej częstotliwości (0,1 Hz). Przyczyną mogło być to, że odczucia ludzi, którzy wdychali powietrze o danej jakości i temperaturze ulegały zbyt szybkim zmianom w czasie

wdychania, podczas gdy powietrze nawiewane z PVS fluktuowało w tym czasie z wyższą częstotliwością.

0.5

0.4 -1

0,1 Hz 0,2 Hz 0,3 Hz

Rys. 5.19 Odczuwanie komfortu cieplnego przez człowieka p rzy różnych fluktuacjach powietrza, nawiewanego przez PVS

50

i40

-1 30 - o

0,1 Hz 0,2 Hz 0,3 Hz

Rys. 5.20 Odczuwalna jakość powietrza przy różnych fluktuacjach, nawiewanego przez system wentylacji PVS

Odpowiedzi osób na pytanie „Proszę uszeregować przepływy powietrza” została zilustrowana na rys. 5.21 i pokazuje, że fluktuujący ruch powietrza o wartości 0,2 Hz oceniany był najwyżej. Blisko połowa badanych (7 z 15) wybrało przepływ powietrza z częstotliwością 0,2 Hz, jako najbardziej odpowiedni, a tylko jedna osoba wskazała go jako najgorszy spośród trzech rodzajów przepływu powietrza.

W drugim eksperymencie, w którym przepływ powietrza odbywał się z częstotliwością 0.2 Hz uznanym jako najbardziej akceptowalny, dokonano porównania

184 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

tego rodzaju przepływu z przepływem stałym. Wyniki przedstawione na rys. 5.22 i 5.23 pokazują, że zarówno komfort cieplny, jak również odczuwalna jakość powietrza uległy zdecydowanej poprawie przy działającym systemie wentylacji PVS. Nie zauważono ponadto różnicy w ocenie, przy fluktuującym i stałym charakterze przepływu powietrza.

100

1 6 0 -

jQro

§

lo0)

o

Rys. 5.21 Uszeregowanie trzech rodzajów przepływów fluktuujących przez obiekty badań

1,5

<D Ł i

0)0

(U

1 w

0

Rys.5.22 Wpływ przepływu pow ietrza nawiewanego przez system PVS na odczucia cieplne badanych osób

Przepływ powietrza zwiększający straty ciepła ciała człowieka gdy system PVS pracował (p<0.03), badane osoby odczuwały otoczenie jako chłodniejszy. Również dzięki usytuowaniu nawiewników, osoby wdychały więcej powietrza świeżego o niższej temperaturze. To wyjaśnia dlaczego odczuwana jakość powietrza uległa wyraźnej poprawie (p<0.03). Gdy powietrze nawiewane indywidualnie fluktuowalo z częstotliwością 0,2 Hz, ludzie mogli przez długi czas stale wdychać powietrze świeże, stopniowo dostosowując oddychanie do rytmu fluktuacji powietrza. Przypuszczalnie to właśnie było to powodem braku różnicy pomiędzy z b a d a n ą odczuwaną jakością powietrza w tych dwóch rodzajach przepływu powietrza.

tem peratura 0,2 Hz stały

pomieszczenia

ranked as the best ranked as the worst

0,1 Hz 0,2 Hz 0,3 Hz

50

temperatura 0,2 Hz staty

pomieszczenia

Rys. 5.23 Wpływ przepływu powietrza nawiewanego przez system PVS na odczuwanie jakości powietrza badanych osób

Jednakże eksperyment ten pokazuje, że fluktuujące nawiewane powietrze było bardziej świeże od powietrza niefluktuującego (przepływ stały), chociaż różnica nie była statystycznie zauważalna.

Obiekty badań wybierały znacząco niższe prędkości średnie (p<0.02), gdy przepływ miał charakter fluktuacyjny (rys. 5.24), który dzięki temu mógł posiadać lepszy efekt chłodzący niż przy stałym przepływie powietrza (Tanabe i in.,19 4). Jednakże badane osoby także odnotowywały znacząco większe zakłócenia (p<0.05), gdy były poddawane przepływowi fluktuującemu (rys. 5.25). Powodem mogło być to, że zaburzenia pochodzące od przepływu fluktuującego, a zwłaszcza maksymalne prędkości, były odczuwane wyraźniej niż przy stałym przepływie powietrza, gdy obiekty badań wykonywały prace biurowe. Podobny wynik uzyskał Arens i in.1998.

1 1,2

-r---<1>

Rys. 5.24 Preferowane przez obiekty badań prędkości przepływu powietrza

186 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

odczucia bardzo 1 0 rozproszone

0.8 0.6

0.4

0.2 odczucia nierozproszone

Rys. 5.25 Wpływ nawiewu powietrza przez system P VS na rozproszenie odczuwanie zakłóceń

Z przeprowadzonych badań wynikają następujące wnioski:

* W warunkach elastycznej regulacji automatycznej, indywidualny system dostarczania powietrza zapewniał powietrze zewnętrzne o temperaturze 25°C o zróżnicowanych fluktuacjach, kierowane bezpośrednio na obiekty badań pracujące w pomieszczeniu o temperaturze 28°C.

* Badania fluktuacji przepływu powietrza dowodzą, że preferowany jest przepływ o częstotliwości 0,2 Hz w granicach 0,1 Hz do 0,3 Hz.

■ Odczuwana jakość powietrza i odczucia cieplne ulegały jednakowej poprawie zarówno przy stałym, ja k i fluktuującym przepływie powietrza (0,2 Hz) w systemie osobistej wentylacji miejscowej, ponieważ ludzie wdychali więcej świeżego powietrza o niższej temperaturze, wykorzystując jednocześnie efekt chłodzący napływającego powietrza.

" Obiekty badań preferowały niższe średnie prędkości przepływu powietrza, lecz były bardziej niezdecydowane, gdy przepływ powietrza miał charakter fluktuujący w stosunku do przepływu stałego.