Badania komfortu cieplnego w pomieszczeniach z wentylacją w yporową

Normy ISO1994 i A SHRAE1992 definiują komfort cieplny jako „stan umysłu, który wyraża satysfakcję ze środowiska cieplnego” . Warunkiem uzyskania komfortu cieplnego jest aby dana osoba nie była narażona na obciążenie cieplne lokalne, jak również w odniesieniu do całego ciała. W skaźnik PMV (z ang. predicted mean value) jest stosowany w obecnych normach dla przewidywania odczuć cieplnych zgodnie z ASHRAE siedmio stopniową skalą: (-3) zimno, (-2) chłodno, (-1) dość chłodno, (0) obojętnie, (+1) dość ciepło, (+2) ciepło, (+3) gorąco. Norma ISO1994 zaleca przyjmowanie wskaźnika w zakresie wartości ±0,5. Nie ujednolicenie wartości tego wskaźnika dla środowiska cieplnego spowoduje, że w obrębie ciała danego człowieka może pojawić się odczucie:

„zbyt gorąco” lub „zbyt chłodno” , nawet jeżeli osoba taka ma ogólne odczucie cieplne zbliżone do „obojętnie”. Wzrastająca lub obniżająca się temperatura pomieszczenia może nie zneutralizować tego efektu

W obecnych normach rozróżnia się czynniki charakteryzujące lokalny dyskomfort cieplny, przeciąg i pionowa różnica temperatury są czynnikami spotykanymi w pomieszczeniach z wentylacją wyporową. W pomieszczeniach z wentylacją wyporową powietrze wprowadza się w pobliżu podłogi z niewielką prędkością o temperaturze

*autorzy: Pitchurov G Naidenov K Melikov A Langkilde G tłum i red. Trzeciakiewicz Z

o 2 r 4 K niższej od średniej temperatury pomieszczenia. Chłodniejsze, bardziej gęste powietrze przyspiesza zstępując w dół dzięki siłom wyporu, osiągając w ysoką prędkość i niską temperaturę w pobliżu podłogi, tworząc pionowy gradient temperatury powietrza w pomieszczeniu.

Przeciąg je st definiowany jako niepożądane lokalne ochłodzenie ciała spowodowane mchem powietrza (ISO 1994, ASHRAE 992). Wielkość konwekcyjnych strat ciepła ciała człowieka wzrasta wraz ze wzrostem prędkości przepływu powietrza i obniżaniu się temperatury powietrza. Fluktuacje prędkości przepływu powietrza także zwiększają konwekcyjne straty ciepła. Wskaźnik przeciągu DR (z ang. draft rate), szeroko stosowany w obecnych normach wiąże temperaturę powietrza ta, prędkość średnią w , i intensywność turbulencji Tu powietrza przepływającego w pomieszczeniu, z dyskomfortem spowodowanym przeciągiem, odczuwanym przez użytkowników pomieszczeń. Prędkość średnia definiowana jest jako prędkość chwilowa uśredniona w czasie, a intensywność turbulencji jako odchylenie standardowe prędkości podzielone przez prędkość średnią.

Obecne normy dotyczące klimatu wewnętrznego zalecają, aby wartość wskaźnika DR była na poziomie niższym od 15%. Temperatura powietrza wzrastająca pionowo od podłogi do sufitu jest prawdopodobnie w stanie spowodować na poziomie głowy dyskomfort wywołany ciepłem a dyskomfort wywołany zimnem, na poziomie stóp. Norma ISO 1994 zaleca aby różnica pionowej temperatury powietrza pomiędzy poziomami 1,1 i 0,1 metra ponad poziomem podłogi nie przekraczała 3 K. Melikov i N ielsen1989 przeprowadzili obszerne badania i zidentyfikowali znaczące ryzyko lokalnego dyskomfortu, spowodowane przeciągiem na poziomie podłogi i w ysoką pionow ą różnicą temperatury w pomieszczeniach z w entylacją wyporową. Wartość wskaźnika DR przewyższająca 15%

wystąpiła w 33% przypadków a pionowa różnica temperatury powietrza przekraczająca 3 K w 40% przypadków występujących w tych badaniach.

Chociaż obszerne badania przepływu powietrza w pomieszczeniach w wentylacją wyporową były prowadzone zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i warunkach rzeczywistych, to nie przeprowadzono dotychczas w warunkach rzeczywistych badań reakcji ludzi na przeciąg i pionową różnicę temperatury. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki pomiarów warunków komfortu cieplnego w pomieszczeniach z wentylacją wyporową.

Program badań

Badania przeprowadzono w ośmiu budynkach biurowych wyposażonych w system wentylacji wyporowej. Zakresem badań objęto biura dla jednej i wielu osób, jak również biura typu otwartego. Badania środowiska cieplnego prowadzono na każdym z 227 miejsc pracy. Odpowiedzi pracowników były zbierane na dwóch kwestionariuszach. Na formularzu pierwszym badani pracownicy oceniali generalne odczucia cieplne, preferencje dla zmiany środowiska cieplnego, jak również akceptację obecnego stanu środowiska.

Formularz zawierał także trzy przekrojowe wykresy odnoszące się do człowieka w pozycji siedzącej, które służyły do identyfikacji występującego lokalnego dyskomfortu cieplnego.

Badane osoby odpowiadały gdzie odczuwały przepływ powietrza wywołujący uczucie chłodu lub ciepła. W formularzu drugim zbierano dane o otoczeniu: obraniu osób biorących udział w badaniach, powszechności występowania symptomu „chorego budynku”. Układ pomiarowy stosowany w badaniach opisał szczegółowo Naydenov i in.2002. N a każdym miejscu pracy wykonywano pomiary w pełnym zakresie, obejmujące:

prędkość przepływu powietrza, temperaturę powietrza, temperaturę operacyjną, wilgotność

192 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

względną powietrza, asymetrię promieniowania. Badania wykonano zgodnie z wymaganiami normy ASHRAE 199 Na podstawie tych badań określono wskaźniki komfortu cieplnego głównie: PMV, ET, DR itp. Procedura pomiarów rozpoczynała się od prezentacji pierwszego formularza obiektom badań. N a wypełnienie formularza przeznaczono 1 minutę, po której obiekty badań opuszczały zajmowane miejsca pracy, a ich miejsce zajmował przewoźny zestaw pomiarowy zbierający dane przez okres trzech minut. Równolegle z pomiarami obiekty badań wypełniały formularz nr 2. Po zakończeniu pomiarów zestaw pomiarowy był usuwany z miejsca pracy. Cala procedura pomiarowa zawierała się w granicach 5 do 10 minut.

W yniki bad ań i dyskusja

Liczba i płeć osób uczestniczących w badaniach, ich wiek, izolacyjność odzieży, rodzaj wykonywanej pracy, były zgodne z założeniami badań przedstawionymi w p. 5.7.

Temperatura operacyjna zmieniała się w zakresie 21,3^-24,9°C, przy wartości średniej 23,4°C. W 76% miejsc pracy mierzona temperatura operacyjna zmieniała się w zakresie 23-Eł6°C., zalecanej dla warunków letnich w normie ISO . Dziewięćdziesiąt procent miejsc pracy posiadało temperaturę efektywną ET (z ang. effective temperature) w zakresie wartości granicznych 23-^26°C akceptowanych przez normę ASHRAE 1992. Na 3 miejscach pracy temperatura termometru mokrego przekraczała 20°C i była poza obszarem komfortu określonym przez ASHRAE 1995.

Obliczenia wskaźnika PMV pokazują, że 88% miejsc pracy znajdowało się w zakresie wartości -0.5 + 0.5, zalecanych przez normy. Przeciętna wartość wskaźnika PMV wyniosła 0,14. Odczucia cieplne „obojętnie” deklarowało 37% badanych, a pomiędzy „przyjemnie chłodno” a „przyjemnie ciepło” ponad 85% badanych. Dobra zgodność (r = 0.85) występowała pomiędzy obliczoną wartością wskaźnika PMV i średnim cieplnym odczuciem MTS (z ang. mean thermal sensation), którą przedstawiono w postaci regresji na rys. 5.29. Punkty dla regresji uzyskano przez odniesienie wskaźnika PMV do odstępów o wartości 0,25 i wykreśleniu dla każdego odstępu przeciętnego odczucia cieplnego obiektów badań w siedmiostopniowej skali odczuć cieplnych wg ASHRAE.

PMV

Rys. 5.29 Odczucia cieplne obiektów badań w zależności od wartości obliczonej wskaźnika PM V

Dane dotyczące odczuć cieplnych pochodzące od obiektów badań, były w dalszej kolejności wykorzystane do określenia temperatury neutralnych odczuć cieplnych tj. temperatury neutralnej (obojętnej). Odczucia cieplne wyrażane przez obiekty badań i wartość wskaźnika PMV w odniesieniu do temperatury operacyjnej przedstawiono na rys. 5.30. Analizy regresji w ykazują wyraźną korelację (r = 0.95) pomiędzy temperaturą operacyjną i średnim odczuciem cieplnym. Linia regresji przecina zero osi y w temperaturze ok. 22,2°C, która jest temperaturą neutralną. Widać to na rys. 5.30, że subiektywne odczucie cieplne jest nieco wyższe od wartości przewidywanego wskaźnika PMV. Chociaż obiekty badań pozostają w aktywności odpowiadającej pozycji siedzącej, w ykonują jednak intensywną pracę umysłową, która mogła wywoływać metabolizm wyższy niż 1,2 met, odpowiadający wartości proponowanej przez normy dla aktywności lekkiej w pozycji siedzącej.

temperatura operacyjna, °C

Rys. 5.30 Odczucia cieplne wyrażane przez obiekty badań i wartość wskaźnika PM V w odniesieniu do temperatury operacyjnej

Wartość wskaźnika DR była obliczana dla każdej z pięciu wysokości. Największy przeciąg odnotowany był na poziomie stóp i kostek, 0,05 i 0,1 m powyżej poziomu podłogi. W 18% przypadków maksymalny przeciąg nie przekraczał 15% wartości normowej. N ie obserwowano obszaru z różnicą temperatury wyższą niż 3 K. Obiekty badań najczęściej zgłaszały, że nogi znajdowały się w strefie zimnej (23% badanych) a głowa w obszarze ciepła (21% obiektów). Dla 26 % obiektów przepływ powietrza był bardziej istotny w odczuciu zimna w strefie nóg, niż temperatura.

Dyskomfort spowodowany zimnymi stopami i ciepłą głow ą jest silnie uzależniony od generalnego odczucia cieplnego obiektów badań. Przedstawiono to na rys. 5.31.

Warunki neutralne dla większości ludzi są niezadowalające, gdy ich stopy pozostają w środowisku zimnym, a głowa w środowisku ciepłym. Jest tak, ponieważ przeciąg jest głównym czynnikiem lokalnego dyskomfortu cieplnego w pomieszczeniach z wentylacją wyporow ą a jego w pływ na lokalny dyskomfort cieplny jest najsilniejszy. Przeciąg występuje nawet wówczas, gdy ludzie odczuwają środowisko jako cieplejsze niż neutralne, Dyskomfort wywołany ciepłem w rejonie głowy nie występował, kiedy ogólne odczucia cieplne były poniżej neutralnych.

194 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

Analiza regresji przeprowadzona na grupie obiektów badań „neutralnych” pozwala stwierdzić, że model oceny przeciągu włączony do obecnych norm przewidział z wystarczającą dokładnością niezadowolenie obiektów badań (zimne i nie komfortowe odczucia na poziomach stóp, kostek, łydek). Zostało to przedstawione na rys. 5.32.

zimno chłodno przyjemnie obojętnie przyjemnie ciepło gorąco

chłodno ciepło

Rys. 5.31 Procentowy odsetek niezadowolonych spowodowany przez zimne stopy i ciepłą głową ja ko funkcja ogólnych odczuć cieplnych

przewidywany dyskomfort spowodowany przeciągiem - DR, %

Rys. 5.32 Dyskomfort spowodowany przeciągiem na poziomie stóp, kostek, łydek w zależności od przewidywanego wskaźnika przeciągu DR:

DR = (34 - ia Xw “ 0.05)°" (0.37 • w • Tu + 3.14) Poziom ufności 95%

Korelacja pomiędzy wartościami przewidywanymi i wartościami wskazywanymi przez obiekty badań była znacząca na poziomie p<0.05. Przewidywania zostały oparte o pomiary wykonane na wysokości 0,1 m. Osoby, które odczuwały przeciąg przy prędkości średniej niższej od 0,1 m/s zostały wyłączone z analiz, gdyż założono, że odczuwany przez nich dyskomfort spowodowany przeciągiem nie oddaje wystarczająco niezadowolenia spowodowanego prędkością przepływu powietrza.

Uzyskana w badaniach wartość wskaźnika przeciągu umożliwia przewidzenie wystąpienia dyskomfortu cieplnego u tych obiektów badań, którzy odczuwali środowisko jako bardziej ciepłe niż neutralne i nie umożliwia przewidzenia dyskomfortu u obiektów badań, którzy odczuwali środowisko jako chłodniejsze niż neutralne.

Z przeprowadzonych badań w ynikają następujące wnioski:

* Odczucia cieplne obiektów badań były zbliżone do przewidywanych, określonych wartościami wskaźnika PMV.

* Około 24% osób objętych pomiarami skarżyło się, że codziennie odczuwali przeciąg głównie w okolicach łydek. Występowanie dyskomfortu spowodowanego przeciągiem zostało zidentyfikowane nawet wśród osób odczuwających środowisko jako „dość ciepło” w odniesieniu do całego ciała. Przewidywania odczuć cieplnych za pomocą wskaźnika przeciągu DR zawarte w obecnych normach dotyczących klimatu wewnętrznego były zbliżone do wartości podawanych przez obiekty badań.

■ Pionowa różnica temperatury zmierzona pomiędzy poziomem głowy i stóp była niższa od 3 K na każdym badanym stanowisku pracy.

5.9 Indywidualnie regulowane ogrzewanie miejscowe w połączeniu z wentylacją o niskiej temperaturze i wilgotności powietrza*

W ymagania w odniesieniu do temperatury powietrza i prędkości ruchu powietrza w pomieszczeniu przedstawione w normach ISO , ASHRAE 99 określone są w oparciu 0 przeciętne wartości zaakceptowane przez dużą grupę ludzi. Najczęściej fizjologiczne 1 psychologiczne odczuwanie środowiska wewnętrznego przez użytkowników pomieszczenia je st zróżnicowane w zależności od: rodzaju odzieży, aktywności fizycznej, indywidualnych wymagań, wartości temperatury i prędkości ruchu powietrza, czasu odpowiedzi ciała na zmiany parametrów, itp. Izolacyjność cieplna odzieży użytkowników może wynosić od 0,4 do 1,2 clo (a nawet więcej), natomiast ilość ciepła wytwarzanego metabolicznie zawarta jest pomiędzy 1 met i 2 m et (1 met = 58 W /m2), w zależności od aktywności fizycznej i umysłowej człowieka (ASHRAE1993). Indywidualne różnice preferowanej przez ludzi temperatury powietrza m ogą być duże, do 10 K (Grivel i Candas1991) a wymagania odnośnie prędkości powietrza m ogą różnić się nawet ponad czterokrotnie (Melikov i in.1993). Warunki termiczne środowiska wewnętrznego, akceptowalne przez większość użytkowników można osiągnąć, umożliwiając każdemu

"autorzy: M elikov A K Langkilde G Rasmussen L W tłum. Specjał A red. Tizcciakiewicz Z

196 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

„tworzenie indywidualnego mikroklimatu” przez zastosowanie regulowanego ogrzewania miejscowego.

Przeprowadzone przez Fanga i in.1997 badania wykazały, że stopień odczuwania jakości powietrza, zarówno czystego jak i zanieczyszczonego, zwiększa się przy niższych wartościach temperatury i wilgotności powietrza. Fanger1997a-b zaproponował projektowanie systemów wentylacji przy założeniu niskiej entalpii powietrza w pomieszczeniu (czyli przy niskiej temperaturze i wilgotności względnej powietrza).

Nowa zasada wentylacji LEV (z ang. Low Entalphy Ventilation) pozwala na zmniejszenie wymaganego strumienia objętości powietrza wentylacyjnego, co przyczynia się do oszczędności energii.

Możliwości obniżenia temperatury powietrza poniżej temperatury komfortu cieplnego zalecanej w normach i równoczesnego osiągnięcia lokalnego komfortu cieplnego przez użytkowników w wyniku tworzenia mikrośrodowiska w otoczeniu człowieka, przy pomocy indywidualnego ogrzewania ciała, wykazano we wcześniej prowadzonych macach Madsena i Saxhofa 9" , Jonesa1988; Nelsona i Langnessa1992;

Sorlie’go i in. 93; W yona1996). Stwierdzono, że w ten sposób wzrasta liczba osób zadowolonych, poprawia się odczuwana jakość powietrza i osiąga się oszczędności energetyczne.

W celu zaprojektowania i praktycznego zastosowania wydajnego lokalnego ogrzewania niezbędne jest ustalenie optymalnej liczby, rodzaju i lokalizacji regulowanych elementów grzejnych oraz najniższej temperatury powietrza, możliwej do zaakceptowania przez ludzi, a także określenie wpływu zastosowanego rozwiązania na odczucia i wydajność pracy użytkowników wraz z oszacowaniem oszczędności energetycznych.

M etodyka b ad ań

Dla realizacji wymienionych celów przeprowadzono badania w komorze klimatycznej o wymiarach 6x5x2,4 m3, szczegółowo opisanej w pracy Kjerluf-Jensena i in. ). W komorze występowało jednolite pole temperatury, średnia prędkość przepływu powietrza wynosiła poniżej 0,06 m/s, średnia temperatura promieniowania była równa temperaturze powietrza, a pionowa i pozioma różnica temperatury mniejsza niż 0,2 K.

Temperaturę powietrza regulowano w zakresie 5^50°C, z dokładnością ± 0 .2 K. Stała czasowa komory była stosunkowo mała: zmiana temperatury powietrza o 3 K realizowana była w ciągu 15 minut, przy czym różnica pomiędzy średnią temperaturą promieniowania, a temperaturą powietrza była mniejsza niż ± 0,5 K. Symulowano biurowe miejsce pracy (biurko i krzesło), które zaopatrzono w 4 lokalne radiacyjne panele grzewcze, usytuowane jak na rys. 5.33 1.

Pierwszy element grzejny (0,60x0,99 m) usytuowano za oparciem krzesła dla ogrzewania pleców, drugi (0,33x0,41 m) pod siedzeniem krzesła, dla ogrzewania tylnej części nóg i dla wytworzenia strumienia konwekcyjnego wokół ciała człowieka, trzeci panel (0,42x0,66 m), ogrzewający górną część nóg (uda i kolana) - poziomo pod blatem biurka, a czwarty (0,33x0,66 m), ogrzewający dolną przednią część nóg i stopy - ukośnie pod blatem biurka.

Zainstalowano panele grzewcze o różnych wymiarach, ale o jednakowej budowie: dobrze zaizolowaną jednostronnie płytę o grubości 50 mm pokryto elektrycznie podgrzewaną folią grzejną. Temperaturę powierzchni regulowano w sposób płynny, niezależnie dla każdej płyty (w tym celu zastosowano 4 transformatory) i mierzono w sposób ciągły w czasie