Środowisko wewnętrzne : wpływ na zdrowie, komfort i wydajność pracy

(1)

P.O. Fänger Z. Popiołek P. Wargocki

ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

Wpływ na zdrowie, komfort i wydajność pracy

(2)

(3)

KATEDRA OGRZEWNICTWA, WENTYLACJI I TECHNIKI ODPYLANIA

ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

Wpływ na zdrowie, komfort i wydajność pracy

redaktorzy:

P.O. Fanger, Z. Popiołek, P. Wargocki

GLIWICE, 2003

(4)

Wydawca

Politechnika Śląska

Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania ul. Konarskiego 20, 44-100 Gliwice

Zespół redakcyjny

Redaktorzy główni: P.O.Fanger Z. Popiołek P. Wargocki Redaktorzy rozdziałów: E. Gierczycka

M. H um ik Z. Trzeciakiewicz Tłumaczenie: A. Baranowski

M. Blaszczok H. Ciuman

J. Ferdyn-Grygierek E. Gierczycka M. Humik J. Kaczmarczyk M. Król

A. Kuciel B. Lipska E. Medyńska Z. Popiołek D. Pudełko A. Specjał

Z. Trzeciakiewicz P. Wargocki Pomoc techniczna: W. Kierat

H. Kokosińska C. Kolasa B. Lewczuk W. Nawrocki D. Pudełko A. Szwarczyńska D. Turyk

AUTORZY

— alfabetyczny spis autorów strony 247-248

ISBN 83-907937-4-1

ZG Pol. Śl. zam. 91/03

(5)

SPIS T R E Ś C I

1. W STĘP... 3

1.1. Laudacja z okazji nadania tytułu doktora honoris causa Prof. Povl Ole Fangerowi wygłoszona w Gliwicach w dniu 11 kwietnia 2003 r. przez Prof. dr hab. inż. Stanisława Mierzwińskiego, Honorowego Promotora przewodu... 4

1.2. Międzynarodowe Centrum Środowiska Wewnętrznego i Energii na Duńskim Uniwersytecie Technicznym... 8

2. ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE W XXI WIEKU. WPŁYW KLIMATYZACJI NA WYDAJNOŚĆ PRACY, ZDROWIE ORAZ KOMFORT...11

Literatura do rozdziału 2 ... 18

3. KOMFORT CIEPLNY... 21

3.1. Komfort cieplny w przyszłości - oczekiwania i poszukiwanie doskonałości...21

3.2. Odczucia cieplne i komfort przy zmiennym metabolizm ie... 26

3.3. Turbulencja a zjawisko przeciągu... 31

3.4. Preferowany przez ludzi ruch powietrza...34

3.5. Wpływ kierunku przepływu powietrza na odczucie przeciągu... 40

3.6. Ekwiwalentna częstotliwość - nowy parametr charakteryzujący częstotliwość fluktuacji ruchu powietrza... 47

3.6.1. Ekwiwalentna częstotliwość - definicja...47

3.6.2. Wpływ ekwiwalentnej częstotliwości na odczucie przeciągu... 51

3.7. Symulacja odczuć cieplnych człowieka dla oceny lokalnego dyskomfortu cieplnego 54 3.7.1. Fizjologia odczuć cieplnych człowieka... 55

3.7.2. Wymiana ciepła pomiędzy wycinkiem skóry i otoczeniem ... 57

3.7.3. Stan ustalony - dobór parametrów modelu...59

3.7.4. Model generowania impulsów przez termoreceptor zimna w stanie ustalonym...61

3.7.5. Okresowe i stochastyczne zmiany prędkości i temperatury powietrza... 64

Literatura do rozdziału 3 ...74

4. JAKOŚĆ POWIETRZA WEWNĘTRZNEGO... 77

4.1. Model obliczeniowy jakości powietrza wewnętrznego...78

4.1.1. Wskaźniki zanieczyszczeń zapachowych powietrza...78

4.1.2. Równanie komfortu... 83

4.1.3. Badanie sumowania obciążeń zanieczyszczeniami powietrza odczuwanymi przez ludzi...83

4.2. Wpływ temperatury i wilgotności względnej powietrza na ocenę jakości powietrza i emisję zanieczyszczeń powietrza odczuwanych przez ludzi...88

4.3. Wpływ elementów konstrukcji i wyposażenia budynku oraz urządzeń biurowych na jakość powietrza wewnętrznego...94

4.3.1. Wpływ różnych wykładzin podłogowych na jakość powietrza w budynku biurowym.. 95

4.3.2. Wpływ zanieczyszczeń powietrza wydzielanych przez komputery osobiste na jakość powietrza, warunki zdrowotne i wydajność pracy... 100

4.4. Wpływ emisji zanieczyszczeń z systemów wentylacyjnych na jakość powietrza w ew nętrznego... 106

4.4.1. Źródła zanieczyszczeń powietrza w systemach wentylacyjnych... 106

(6)

2 ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

4.4.2. Wpływ zanieczyszczeń powietrza emitowanych przez filtry w instalacji

wentylacyjnej na komfort i zdrowie... 110

4.5. Pomiar jakości powietrza i obciążeń powietrza zanieczyszczeniami odczuwanymi przez ludzi w budynkach biurow ych... 114

4.6. Obciążenie zanieczyszczeniami powietrza i wentylacja, a warunki zdrowotne, komfort i wydajność pracy biurowej... 120

4.6.1. Poprawa warunków zdrowotnych, komfortu i wydajności pracy poprzez obniżenie obciążenia powietrza zanieczyszczeniami odczuwanymi przez ludzi i podwyższenie wydatku w entylacji... 120

4.6.2. Wpływ wentylacji na warunki zdrowotne w pomieszczeniach... 127

4.6.3. Koszty i zyski płynące z poprawy jakości powietrza... 132

Literatura do rozdziału 4 ...140

5. SYSTEMY WENTYLACJI I KLIMATYZACJI... 147

5.1. Projektowanie osobistej wentylacji miejscowej...147

5.2. Osobista wentylacja miejscowa: ocena różnych nawiewników... 153

5.3. Miejscowe chłodzenie: odczucia ludzi i wytyczne projektowania... 161

5.4. Odczuwana jakość powietrza i warunków cieplnych przy indywidualnym systemie wentylacji...169

5.5. Indywidualna kontrola i preferencje ludzi w eksperymencie z systemem wentylacji osobistej...175

5.6. Wpływ osobistej wentylacji miejscowej na odczucia cieplne: porównanie stałego i fluktuującego przepływu powietrza w gorącym środowisku... 180

5.7. Praktyczne działanie wentylacji wyporowej...186

5.8. Badania komfortu cieplnego w pomieszczeniach z wentylacją w yporową...190

5.9. Indywidualnie regulowane ogrzewanie miejscowe w połączeniu z wcntylacjąo niskiej temperaturze i wilgotności powietrza...195

6. METODY POMIARU I OCENY ŚRODOWISKA WEWĘTRZNEGO...205

6.1. Empiryczny model przeliczeniowy ocenjakości powietrza dokonywanych przy użyciu skali akceptowalności i bezpośrednio w decypolach... 205

6.2. Ocena jakości powietrza wewnętrznego przy pomocy ogrzewanego manekina z funkcją oddychania...212

6.3. Praktyczne ograniczenia dokładności pomiaru małych prędkości ruchu powietrza w pomieszczeniach... —... 217

6.4. Właściwości dynamiczne termoanemometrów do pomiaru małych prędkości w pomieszczeniach... 221

6.5. Badania eksperymentalne nakładów energetycznych oraz przepływów powietrza wentylacyjnego w wielorodzinnych budynku mieszkalnym... 227

ALFABETYCZNY SPIS AUTORÓW ...247

(7)

1. WSTĘP

Przebywając w domu, w miejscu pracy, w budynkach użyteczności publicznej, korzystając ze środków transportu, ludzie spędzają przeważającą część swego życia w pomieszczeniach zamkniętych. Z tego względu w pomieszczeniach tych powinno być ukształtowane odpowiednie środowisko wewnętrzne. Sztuczne wytwarzanie środowiska wewnętrznego wymaga umiejętności kształtowania warunków w pomieszczeniach pod dwoma aspektami: środowiska termicznego i jakości powietrza. Konieczna jest także wiedza dotycząca wpływu środowiska na ludzi, ich reakcji na sztucznie stworzone warunki. W szczególności niezbędna jest wiedza na temat wpływu środowiska wewnętrznego na zdrowie, komfort cieplny i wydajność pracy.

Potrzeba dokładnej znajomości parametrów mających wpływ na klimat w pomiesz

czeniach wynika z coraz powszechniejszego uzależnienia użytkowników budynków od urządzeń i technologii stosowanych w budownictwie. Wraz z rosnącą świadomością zagrożeń, jakie stwarzają zanieczyszczenia powietrza, rosną wymagania dotyczące czysto

ści powietrza w pomieszczeniach. Większość pomieszczeń musi być ogrzewana a wszyst

kie m uszą być wentylowane. W budynkach mieszkalnych dąży się, aby wentylację naturalną zastępować wym uszoną wentylacją m echaniczną z odzyskiem ciepła, ta z kolei jest w miarę możliwości zastępowana udoskonalonymi mechaniczno-naturalnymi tzw.

hybrydowymi metodami wentylacji. Coraz częściej i szerzej stosowana jest klimatyzacja pomieszczeń. N owe rozwiązania w ogrzewnictwie, wentylacji i klimatyzacji muszą spełniać wymogi oszczędności zużycia energii i gwarantować tworzenie właściwego środowiska wewnętrznego.

Odpowiedzialność za kształtowanie środowiska w pomieszczeniach przejmują inżynierowie. M uszą oni, zatem umieć kształtować to środowisko. Od wielu lat prowadzone są badania, których celem z jest ustalenie wpływu różnorodnych parametrów środowiska na zdrowie i komfort cieplny ludzi. W wyniku tych badań opracowano szereg metod pomiaru i oceny środowiska wewnętrznego. Chociaż obecnie wiele ocen dokonuje się metodami określonymi za pom ocą norm to nie zaprzestaje się prac badawczych nad ustalaniem wpływu różnorodnych parametrów środowiska na zdrowie i komfort cieplny ludzi. Obecnie dyskutowana jest możliwość kategoryzacji pomieszczeń pod względem środowiska wewnętrznego. W pomieszczeniach kategorii „A” spełnione byłyby najsurowsze wymagania pod względem jakości powietrza i komfortu cieplnego, w pomieszczeniach kategorii „B” i „C” wymagania byłyby bardziej liberalne.

W historii wielu dziedzin wiedzy pojawiają się jednostki, które wywierają znaczący wpływ na ich rozwój. W dziedzinie badania, oceny i kształtowania środowiska wewnętrznego pomieszczeń taką osobą o światowym autorytecie jest profesor PovI Ole F an g er z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego. Prace Prof. Fangera znalazły wiele zastosowań.

Cieszy się On również - z uwagi na wieloletnią owocną współpracę - uznaniem szerokiego grona pracowników Politechniki Śląskiej i innych polskich uczelni. Mając na uwadze wybitny dorobek naukowy Prof. Fangera oraz jego wkład w rozwój i efekty współpracy z Politechniką Śląską, pracownicy Katedry Ogrzewnictwa Wentylacji i Techniki Odpylania zwrócili się do władz Politechniki Śląskiej z wnioskiem o nadanie Prof. Fangerowi tytułu doktora honoris causa Politechniki Śląskiej.

Profesor Fanger od ponad 30 lat zajmuje się badaniami środowiska wewnątrz pomieszczeń i prowadzi rozległe badania interdyscyplinarne dotyczące wpływu

(8)

środowiska wewnętrznego na komfort, zdrowie i wydajność pracy człowieka. Jest autorem wskaźników używanych do oceny odczuć cieplnych i komfortu cieplnego opartych o bilans cieplny całego ciała człowieka (PMV/PPD). Wprowadził również modele służące do określania lokalnego dyskomfortu cieplnego spowodowanego przez takie czynniki jak przeciąg, asymetria promieniowania i pionowy gradient temperatury powietrza. Modele te stosuje się w międzynarodowych normach (takich jak ISO, ASHRAE) służących do oceny środowiska cieplnego w pomieszczeniach. Modele te posłużyły również do opracowywania specjalistycznych przyrządów do pomiaru środowiska termicznego.

Profesor Fanger zaproponował także jednostki do oceny jakości powietrza w pomieszczeniach takie jak: o lf i decypol. Opracował model odnoszący się do jakości powietrza wewnętrznego i prognozujący odczuwaną jakość powietrza w środowisku wewnętrznym oraz wymaganą intensywność wentylacji w budynkach. W szerokich badaniach poligonowych wykazał, że zanieczyszczenia pochodzące z materiałów budowlanych, procesów i systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji są często głównym powodem złej jakości powietrza wewnętrznego. Pokazał praktycznie jak można osiągnąć poprawę jakości powietrza wewnętrznego i zmniejszenie wymaganej intensywności wentylacji przez zmniejszenie powierzchniowych źródeł zanieczyszczeń.

Wraz ze swoimi współpracownikami stwierdził, że wilgotność i temperatura powietrza mają silny i dotychczas ignorowany wpływ na odczuwaną jakość powietrza i wymagania dotyczące wentylacji w budynkach. Po raz pierwszy wraz z współpracownikami stwierdził On znaczny wpływ jakości powietrza wewnętrznego na wydajność pracy człowieka i na symptomy tzw. Syndromu Chorego Budynku.

W 1998 roku Profesor Fanger otrzymał grant rządu duńskiego na stworzenie nowego Międzynarodowego Centrum Środowiska Wewnętrznego i Energii (International Centre fo r Indoor Environment and Energy) na Duńskim Uniwersytecie Technicznym w Lyngby k/Kopenhagi (Technical University o f Denmark). Profesor Fanger został pierwszym dyrektorem tego ośrodka.

Związki Prof. Fangera z Polską zapoczątkowane zostały w roku 1974 przetłumaczeniem na język polski jego książki pt.: „Komfort cieplny”. Z okazji nadania Prof. Fangerowi najwyższej godności, ja k ą może nadać uczelnia akademicka, jakim jest tytuł DOKTORA HONORIS CAUSA grono pracowników Katedry Ogrzewnictwa Wentylacji i Techniki Odpylania Politechniki oraz Międzynarodowego Centrum Środowiska Wewnętrznego i Energii postanowiło wydać w języku polskim nową monografię będącą przeglądem najnowszych wyników prac Prof. Fangera i jego zespołu.

W monografii przedstawiono również wyniki badań uzyskane w ramach wspólnych międzynarodowych projektów badawczych a także prac, których podjęcie zostało zainspirowane wcześniejszymi badaniami Prof. Fangera i jego zespołu.

1.1 Laudacja z okazji nadania tytułu doktora honoris causa Prof. Povl Ole Fangerowi wygłoszona w Gliwicach w dniu 11 kwietnia 2003r. przez Prof, dr hab. inż. Stanisława M ierzwińskiego, Honorowego Promotora przewodu.

Profesor, D.Sc., Hon.D.Sc. Povl Ole Fanger jest Profesorem Duńskiego Uniwersytetu Technicznego w Lyngby k/Kopenhagi (Technical University o f Denmark) i Dyrektorem Międzynarodowego Centrum Środowiska Wewnętrznego i Energii (International Centre fo r Indoor Environment and Energy) tego Uniwersytetu. Profesor

(9)

Povl Ole Fanger urodził się w 1934 roku w Aarhus w Danii. Studia ukończył w 1957 na Duńskim Uniwersytecie Technicznym na kierunku budownictwa i w tym samym roku podjął działalność naukową na tej Uczelni, na stanowisku asystenta. W latach 1966-1967 odbył staż naukowy w Instytucie Badań Środowiskowych Uniwersytetu Stanowego w Kansas, USA, który wywarł duży wpływ na Jego dalszą działalność naukową. W 1970 roku uzyskał stopień doktora na podstawie rozprawy pt. Komfort cieplny, a w 1977 roku został profesorem na Wydziale Budownictwa i Energii. Od 1998 roku jest Dyrektorem Międzynarodowego Centrum Środowiska Wewnętrznego i Energii na Duńskim Uniwersytecie Technicznym.

Prof. P.O.Fanger od przeszło 30 lat zajmuje się badaniami środowiska wewnątrz pomieszczeń i jego wpływu na ludzi. Jest pionierem i czołowym badaczem wielostronnych oddziaływań jakości powietrza i środowiska cieplnego na odczucie komfortu cieplnego, zdrowie i wydajność pracy człowieka. Jego książka z 1970 roku, pt. Thermal Comfort - Analysis and Applications in Environmental Engineering jest podstawową monografią problematyki badania i oceny komfortu cieplnego, stale uzupełnianą w oparciu o nowe prace. Była to pierwsza książka, w której została przedstawiona pełna metodologia analizy warunków środowiska cieplnego i kryteriów komfortu cieplnego dla człowieka. Po angielskim wydaniu, została przetłumaczona na język japoński, chiński, a także i polski.

Dla realnej oceny i prognozowania warunków komfortu cieplnego potrzebna jest możliwość określania fizjologicznych odczuć komfortu czy dyskomfortu cieplnego człowieka w skali wartości. Metodę doskonalono poprzez wieloletnie badania statystycznych reakcji ludzi na zmianę warunków cieplnych otoczenia, dzięki którym określono wskaźniki odczucia środowiska cieplnego: PMV - wskaźnik przewidywanej oceny średniej i PPD — wskaźnik przewidywanego odsetka niezadowolonych. Metoda ta jest ju ż od lat powszechnie znana pod nazwą teorii Fangera.

Profesor Fanger opublikował około 300 artykułów w czasopismach o międzynaro

dowym zasięgu i kilka obszernych wydawnictw zbiorowych — gromadząc wokół siebie międzynarodowe grono specjalistów i młodych współpracowników z wielu krajów świata.

Na międzynarodowych konferencjach wygłosił ponad 200 wykładów naukowych w ok. 40 krajach, w tym także w Polsce. Dużym Jego osiągnięciem w wykorzystaniu badań jest doprowadzenie do powołania osobnego Komitetu ISO TC205 Projektowanie budynków dla zapewnienia wymaganej jakości środowiska wewnętrznego w celu opracowywania norm w zakresie środowiska wewnętrznego. Dzięki temu problematyka komfortu cieplnego dysponuje obszerną bazą danych i modelami obliczeniowymi w międzynarodo

wych normach (ISO, ASHRAE), dotyczących projektowania, oceny i pomiaru warunków cieplnych pomieszczeń w budownictwie.

Szczególnym celem starań Profesora Fangera było zapewnienie dobrej jakości powietrza w pomieszczeniach tak, aby mogło ono być odczuwane jako świeże, przyjemne i stymulujące przez każdego użytkownika, a nie tylko przez statystyczną ich większość.

Wymagało to opracowania metod kontroli i oceny jakości powietrza, a także tworzenie możliwości indywidualnej regulacji sposobu dostawy czystego powietrza i regulacji jego parametrów.

Cel taki przyświecał Profesorowi ju ż w trakcie pierwszych badań psychologicznych na grupach ludzi, które przebywały w klimatyzowanych komorach badawczych, gdzie zmieniano warunki cieplne. W wyniku późniejszych podobnych badań zaproponował nową metodę, umożliwiającą prognozowanie subiektywnej oceny jakości powietrza w pomieszczeniu w powiązaniu ze zindywidualizowaną wentylacją. Metoda ta zyskała

(10)

w świecie nazwę teorii jakości powietrza Fangera. Znalazła ona szerokie zastosowanie w budownictwie - w związku ze zwalczaniem zanieczyszczeń pochodzących z materiałów budowlanych i wykończeniowych oraz wyposażenia pomieszczeń.

Jakość powietrza odbierana jest przez zmysł powonienia. Odbiór ten zależy nie tylko od składu chemicznego wdychanego powietrza, ale także od jego temperatury i wilgotności, połączonych w entalpii. Okazało się, że czynniki te m ają silny wpływ na odbiór poprzez powonienie. Profesor Fanger zaproponował i zdefiniował w obszernych badaniach oryginalne jednostki oceny jakości powietrza jako o lf i decypol - korzystając z pewnej analogii do jednostek miar wielkości optycznych czy akustycznych. W oryginalnych nazwach o lf i p o i (10xdecypol) można także wyczuwać przyjazne jej powiązanie z Autorem: O h Fanger oraz P O h Fanger. Nie było łatwo znaleźć sposób na ilościowe określanie odczuwanej przez człowieka emisji zanieczyszczeń i intensywności oddziaływania substancji zapachowych w określonych warunkach wymiany powietrza w pomieszczeniu. Po długich i ciekawych badaniach zdefiniowano:

o lf - jako strumień zanieczyszczeń (sensory pollution load) odczuwanych przez ludzi (zmysł powonienia) emitowany przez siedzącą standardową osobę w neutralnym termicznie otoczeniu,

decipol - jako odczuwaną jakość powietrza w przestrzeni ze źródłem o emisji 1 o lf i wentylowanej przez 10 l/s czystego powietrza, czyli 1 dp = 0,1 olf/'(l/s).

Tak zdefiniowane wielkości powiązano z em isją elementów środowiska wewnętrznego i wprowadzono do międzynarodowych zaleceń dotyczących projektowania wentylacji (CEN CR1752) jako kryteria oceny i wytyczne prognozowania środowiska wewnętrznego budynku przy projektowaniu wentylacji pomieszczeń. Dla ilustracji rezultatów interdyscyplinarnych badań środowiskowych Profesora Fangera można przytoczyć przykładowo, że przeciętny, pracujący komputer powoduje zanieczyszczenie powietrza w pomieszczeniu, odpowiadające 3 o lf om, a przeciętny palacz papierosów emituje 6 olfów. Natomiast poprawa jakości powietrza w pomieszczeniu o 1 decypol umożliwia przeciętny wzrost wydajności pracy przeciętnego człowieka o 1%. Zatem także ujawnia się ekonomiczna motywacja dbałości o jakość powietrza wewnętrznego.

Wyniki tych rozległych interdyscyplinarnych badań pozwalają racjonalnie wykorzystywać energię w budownictwie, kształtować procesy przepływu powietrza i transportu wilgoci w budynkach, zapobiegać zagrożeniom zdrowia człowieka przez wykrywanie już pod-klinicznych symptomów szkodliwości materiałów i komponentów budynków, a zwłaszcza instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych.

Interdyscyplinarność tych badań pozwala rozumieć kompleksowy mechanizm oddziaływania środowiska wewnętrznego na samopoczucie człowieka i unikać syndromu chorego budynku (Sick Building Syndrome).

Badania te posiadają światową rangę. Są liczne wyrazy uznania wartości naukowej prac Profesora P.O.Fangera, jak: Jego członkostwo w U.S. National Academy o f Engineers i w Royal Academy o f Engineering Wielkiej Brytanii, honorowe doktoraty Uniwersytetu w Coimbrze w Portugalii, Politechniki w Bratysławie na Słowacji, Moskiewskiego Uniwersytetu Budownictwa, Rosyjskiej Akademii Architektury i Budownictwa, członkostwa Akademii Technicznych w Danii, Belgii.

W 1998 roku, na wniosek Profesora Fangera, zostało powołane przez Duński Komitet Badań Naukowo-Technicznych przy Radzie Królestwa Danii - Międzynarodowe Centrum Środowiska Wewnętrznego i Energii na Duńskim Uniwersytecie Technicznym.

Centrum to jest wyrazem uznania przez Danię międzynarodowego znaczenia szkoły

(11)

Profesora Fangera w dziedzinie badań środowiska wewnętrznego, komfortu cieplnego i fizyki budynku. Obecnie prowadzi tam badania 45 osób z 14 krajów, w tym kilka osób z Polski. Warto podkreślić, że Profesor Fanger z wielką życzliwością i bardzo umiejętnie wykorzystuje swoje zdolności badawcze i dydaktyczne. Przyciąga twórczych naukowców do współpracy, kieruje rozwojem uczniów i zachęca do szerokich studiów.

Od dawna utrzymuje także bardzo aktywne kontakty z polskim środowiskiem naukowym, zajmującym się inżynierią środowiska i wentylacji. Miałem osobiście okazję zapoczątkować współpracę Profesora z Politechniką Śląską będąc w 1975 roku w Danii na stypendium ONZ. Później pracownicy Katedry Ogrzewnictwa i Wentylacji naszej Uczelni wielokrotnie składali wizytę w Jego Laboratorium, a w połowie lat 80-tych nawiązała się bliższa współpraca naukowa w postaci wymiennych staży naukowych pracowników obu Katedr, wspólnych prac badawczych zakończonych raportami i publikacjami naukowymi.

Nasza doktorantka, opracowując matematyczny model symulacji odczuć cieplnych człowieka dla oceny lokalnego dyskomfortu cieplnego, „wzorcowała” go w oparciu o wyniki eksperymentalnych badań Profesora Fangera w zakresie wskaźnika ryzyka przeciągu.

W latach 90-tych w oparciu o współpracę z Profesorem Fangerem Katedra nasza uczestniczyła w realizacji trzech projektów finansowanych przez Unię Europejską:

„Calibration and requirements for accuracy o f thermal anemometers for indoor velocity measurements”, „Accuracy o f Draught Measurements” i „Integrated Design Optimisation o f Building Energy Performance and Indoor Environment”. Od roku 1998 czworo dyplomantów naszej Katedry realizowało prace dyplomowe w Międzynarodowym Centrum Środowiska Wewnętrznego i Energii w Lyngby. Dwoje z nich odbywa teraz studia doktoranckie na naszym Wydziale, a jedna osoba uzyskała duńskie stypendium dla wykonania pracy doktorskiej w Danii. W bieżącym roku dwie dyplomantki odbywają w Centrum studia magisterskie. Dzięki poparciu Profesora Fangera jako Prezydenta SCANVAC Katedrze naszej powierzono organizację prestiżowej IV Konferencji R O O M V EN T94 w Polsce. Odbyła się ona w 1994 roku w Krakowie, pierwszy raz poza Skandynawią.

Współpraca profesora Fangera z polskimi uczelniami sięga także poza Gliwice. Ze staży naukowych w Międzynarodowym Centrum ŚWiE korzystają także pracownicy naukowi i studenci Politechniki Warszawskiej, Wrocławskiej i Politechniki Poznańskiej.

Poza działalnością naukową Profesor Fanger szeroko upowszechnia problematykę komfortu cieplnego i jakości powietrza wewnętrznego w środowisku inżynierskim. Jest Prezydentem SCANVAC, federacji skupiającej skandynawskie organizacje specjalistów ogrzewnictwą wentylacji i klimatyzacji. W latach 1996-2002 był Prezydentem Akademii Nauk o Powietrzu Wewnętrznym. Jest honorowym członkiem Stowarzyszeń Inżynierskich w około 20 krajach, na trzech kontynentach, w tym Brytyjskiego CIBSE, Niemieckiego VDI, Japońskiego SHASE, Chińskiego Komitetu Ogrzewnictwa i Klimatyzacji. Jest laureatem wielu zaszczytnych nagród, m.in. Złotego Medalu REHVA, Honorowego Złotego Medalu Hermanna Rietschela (Niemcy). W 1978 był organizatorem i prezydentem pierwszej z serii konferencji INDOOR AIR dotyczących jakości klimatu wewnętrznego w pomieszczeniach, której 9 edycja miała miejsce w 2002 w USA. W 1985 roku był pomysłodawcą i organizatorem pierwszego światowego kongresu ogrzewnictwa, wentylacji i klimatyzacji CLIMA 2000. Stale uczestniczy w komitetach naukowych i organizacyjnych międzynarodowych cyklicznych konferencji naukowych, oprócz wyżej wspomnianych takich jak ROOMVENT czy COLD CLIMATE.

(12)

Zainteresował polskie środowisko inżynierskie swoimi ideami, zyskał wysokie uznanie w gronie Polskiego Związku Inżynierów i Techników Sanitarnych NOT, które przyznało Mu w 1996 roku swoje najwyższe odznaczenie.

Czuję się zaszczycony i ogromnie uradowany, że po wielu latach korzystania przez naszą Uczelnię z głębokiej wiedzy Profesora P.O. Fangera, przy wysokiej Jego kulturze osobistej, a także ujmującym i przyjacielskim sposobie współpracy - mogę teraz powiedzieć, że:

„ W uznaniu zasług w dziedzinie badania, oceny i kształtowania środowiska wewnętrznego pomieszczeń oraz wkładu w rozwój i efekty naukowej współpracy z Politechniką Śląską Senat Politechniki Śląskiej postanowił nadać Panu Profesorowi Pavlowi Ole F A N G E R O W I tytuł DOKTORA H O N O R IS CAUSA Politechniki Śląskiej najwyższy akademicki tytuł, jakim dysponuje nasza Uczelnia

1.2 Międzynarodowe Centrum Środowiska Wewnętrznego i Energii na Duńskim Uniwersytecie Technicznym

Pierwszego stycznia 1998 roku utworzone zostało Międzynarodowe Centrum Środowiska Wewnętrznego i Energii na Duńskim Uniwersytecie Technicznym, było to możliwe dzięki pozyskaniu grantu z Duńskiego Komitetu Badań Naukowo-Technicznych przy Radzie Królestwa Danii. Działalność Centrum opiera się na 10-cio letnim kontrakcie podpisanym pomiędzy Komitetem Badań i Duńskim Uniwersytetem Technicznym. Jego budżet, na pierwszy pięcioletni okres, wynosi 57 min DKK (=8 min EURO). To nowe centrum badawcze zostało wybrane spośród 30 innych zgłoszonych wniosków, reprezentujących wszystkie dyscypliny inżynierskie. To przedsięwzięcie świadczy o wielkiej ekspansji duńskich badań środowiska wewnętrznego i fizyki budowli.

Centrum wchodzi w skład Zespołu Środowisko i Energia na Wydziale Inżynierii Energią. Najważniejsze prace badawcze są wykonywane w Centrum przez badaczy z Wydziału Budownictwa i Energii i Zespół Mechaniki Płynów z Wydziału Inżynierii Energii przy współpracy z Uniwersytetem w Aalborg.

Prace Centrum są ukierunkowane na badanie wpływu jakości powietrza wewnętrznego i środowiska cieplnego na komfort, zdrowie i wydajność pracy człowieka.

Znaczącą częścią działalności Centrum stanowią badania dotyczące transportu wilgoci w elementach budynków i zużycia energii w budownictwie jak również badania rozdziału powietrza w pomieszczeniach. Ogólnym celem tych badań jest opracowanie praktycznych narzędzi projektowania, które będą stosowane przez specjalistów zajmujących się ogrzewnictwem, wentylacją i klimatyzacją. Duński Uniwersytet Techniczny ma długoletnią tradycję w badaniach na tym polu. Utworzenie nowego Centrum zapewniło dalszy rozwój aktywności i kontynuację działalności na tym polu na długą przyszłość.

Przegląd badań

Międzynarodowe Centrum Środowiska Wewnętrznego i Energii na Duńskim Uniwersytecie Technicznym pokrywa szeroki zakres interdyscyplinarnych tematów

(13)

badawczych związanych ze środowiskiem wewnętrznym, fizyką budowli i aerodynamiką.

Szczególna uwaga skierowana jest wpływ środowiska wewnętrznego na człowieka.

Wynika to z faktu, że człowiek spędza typowo 90% czasu swojego życia w pomieszcze

niach zamkniętych. Złe środowisko wewnętrzne ma negatywny wpływ na komfort, zdrowie i wydajność pracy. Dla uniknięcia tego negatywnego wpływu istotnym jest aby budynek był tak zaprojektowany, aby spełniał podstawowe wymagania dotyczące zdrowego i komfortowego środowiska wewnętrznego i równocześnie cechował się niskim zużyciem energii. Ogólnym celem prac badawczych Centrum jest pogłębianie wiedzy oraz integracja i rozwój metod projektowania i optymalizacji budynków wraz z ich systemami i środowiskiem wewnętrznym. Modele umożliwiające przewidywanie środowiska wewnętrznego i jego wpływ na człowieka są bardzo istotne dla projektanta. Właściwe modele pozw alają przewidzieć konsekwencje różnych wariantów projektowych i dlatego są ważne dla całościowej optymalizacji budynku pod względem jego oddziaływania na użytkowników. Rozwój takich modeli przydatnych dla specjalistów projektujących urządzenia i systemy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji są najważniejszym celem Centrum.

Scharakteryzowanie odczuwanych przez zmysł powonienia i chemicznych właściwości substancji emitowanych przez materiały budowlane oraz elementy grzewcze, wentylacyjne i klimatyzacyjne jest podstawą do rozwoju modeli umożliwiających przewidywanie jakości powietrza wewnętrznego w różnych warunkach. Obecna wiedza dotycząca komfortu człowieka w jednorodnych i ustalonych warunkach będzie rozszerzona tak, aby mogła być zastosowana dla środowiska wewnętrznego rzeczywistych budynków w warunkach przejściowych i przy niejednorodności cieplnej. Szczególny nacisk jest położony na określenie związków pomiędzy środowiskiem wewnętrznym i wydajnością pracy. Ponadto, łączny wpływ warunków cieplnych, jakości powietrza i hałasu na komfort, zdrowie i wydajność pracy jest badany.

Ruch powietrza w pomieszczeniach jest ważny ze względu na usuwanie zanieczyszczonego powietrza i dobre samopoczucie użytkowników. Modelowanie matematyczne stosowane do przewidywania ruchu powietrza w pomieszczeniach zostało rozwinięte do takiego poziomu, że teraz możliwe jest opisywanie nawet złożonych przepływów w budynkach. Jednakże, aktywność użytkownika, rodzaj oraz rozmieszczenie źródeł ciepła i zanieczyszczeń a także dynamika ich emisji z materiałów powodują zakłócenia przepływu powietrza, które m ogą mieć decydujące znaczenie na warunki przepływu powietrza w pomieszczeniach. Cele badawcze Centrum to łączne modelowanie przepływu powietrza z uwzględnieniem tych czynników oraz zintegrowane modelowanie ruchu powietrza w pomieszczeniach z modelowaniem oddziaływania środowiska wewnętrznego na użytkowników.

Badania prowadzone w obiektach rzeczywistych wykazały, że decydujący wpływ na symptomy związane z środowiskiem wewnętrznym ma stopień zawilgocenia budynku.

Większa wilgotność powietrza wewnętrznego lub większe zawilgocenie materiałów budowlanych może zwiększyć te objawy. Przypadki takiego zwiększonego zawilżenia są dlatego badane w celu określenia akceptowalnego poziomu wilgotności budynków i ich elementów.

Modele dotyczące przejściowych warunków wilgotnościowych i temperaturowych środowiska wewnętrznego, uwzględniające wzajemne oddziaływanie pomiędzy powłoką budynku, wnętrzem i powietrzem wewnętrznym są rozwijane. N a podstawie takich modeli będzie możliwe wprowadzić udoskonalone strategie ogrzewania i klimatyzacji takie, aby w przyszłości zminimalizować objawy i poprawić komfort i wydajność pracy.

(14)

Rozwijane w Centrum narzędzia do prognozowania łączą w zintegrowanych meto

dach projektowania budynków środowisko wewnętrzne i jego wpływ na komfort człowieka, zdrowie i wydajność pracy jak również biorą pod uwagę zużycie energii i warunki wilgotnościowe. Taki paradygmat będzie obecny i stosowany w zoptymalizo

wanym projektowaniu budynków.

(15)

2. ŚRODOW ISKO WEWNĘTRZNE W XXI WIEKU. WPŁYW KLIMATYZACJI NA W YDAJNOŚĆ PRACY, ZDROWIE ORAZ KOMFORT*

Klimatyzacja budynków ma istotne znaczenie dla rozwoju ekonomicznego krajów położonych w klimatach równikowych, podrównikowych, zwrotnikowych i podzwrotnikowych, w których żyje większość ludzi na świecie. Można podać liczne przykłady pozytywnej roli, ja k ą klimatyzacja odegrała np. we wschodniej Azji, gdzie od 30 lat obserwuje się znaczne tempo rozwoju ekonomicznego, co byłoby raczej niemożliwe bez powszechnego stosowania klimatyzacji.

Obecnie klimatyzację stosuje się w wielu częściach świata. W jej skład wchodzi pełny proces przygotowania powietrza wentylacyjnego, tj. ogrzewanie, chłodzenie i nawilżanie. Obraz takich połączonych systemów nie zawsze jednak jest w pełni pozytywny. Ich celem je st zwykle zapewnienie użytkownikom budynków komfortu cieplnego i akceptowalnej jakości powietrza wewnętrznego. Liczne badania w budynkach biurowych (Fisk i in.1993, Mendell 993, Bluyssen i in.1996, Pejtersen i in.1999) wskazują na znaczny poziom niezadowolenia z warunków klimatu wewnętrznego. Jednym z głównych powodów niezadowolenia są niskie wymagania stawiane przez obowiązujące obecnie normy i wytyczne wentylacji (ASHRAE1999, CEN 1998, ECA 92). Dokumenty te określają jakość powietrza wewnętrznego zakładając pewien odsetek niezadowolonych (np. 15, 20, 30%), podczas gdy dla reszty użytkowników dopuszcza się jakość powietrza, która może być zaledwie akceptowalna. Podobny sposób myślenia odnosi się również do środowiska cieplnego (ISO 1993). Takie podejście do projektowania systemów wentylacji i klimatyzacji doprowadziło w praktyce do znacznej liczby osób niezadowolonych w pomieszczeniach wewnętrznych, podczas gdy zaledwie niewielka liczba użytkowników budynków jest skłonna określić środowisko wewnętrzne jako doskonałe. Jednocześnie obserwuje się liczne przypadki negatywnego wpływu środowiska wewnętrznego na zdrowie ludzi. Wiele osób skarży się na występowanie szeregu dolegliwości zdrowotnych takich jak podrażnienia, bóle głowy, trudności w koncentracji, itp., które określane są mianem SBS

1 0 0 1 1QQ1 IQ Q A

(z ang. Sick Building Syndrome) (Fisk i in. , Mendell , Bluyssen i in. ), a ogromny wzrost występowania alergii i astmy może wiązać się z niską jakością powietrza wewnętrznego.

Należy uczciwie przyznać, że jakość powietrza wewnętrznego w wielu budynkach z mechaniczną w entylacją lub klimatyzacją jest zaledwie średnia, chociaż spełnione są obowiązujące normy. W XXI wieku konieczna jest zatem zmiana filozofii wentylacji i klimatyzacji w celu stworzenia doskonałych warunków środowiska wewnętrznego.

Celem wentylacji powinno być zapewnienie powietrza wewnętrznego, które będzie odczuwane jako świeże, przyjemne i stymulujące, które nie ma negatywnego wpływu na zdrowie ludzi oraz stworzenie warunków cieplnych, które będą odczuwane jako komfortowe przez wszystkich użytkowników budynków. Osiągając ten cel należy jednocześnie mieć na uwadze skuteczność energetyczną i zrównoważenie energii. Należy wiec postawić pytanie, czy mamy wszystkie dane niezbędne do praktycznej realizacji tego zadania. W przypadku komfortu cieplnego odpowiedź jest pozytywna, gdyż dysponujemy tu obszerną bazą danych. Ale nasza wiedza o jakości powietrza wewnętrznego je st ciągle niekompletna. Odzwierciedla to złożoność wzajemnych oddziaływań pomiędzy jakością powietrza wewnętrznego a zdrowiem i komfortem ludzi. Posiadamy jednak część informacji dotyczących wpływu jakości powietrza wewnętrznego na ludzi, jak również istotne wyniki nowych badań, które będą mieć w przyszłości znaczny wpływ na

*autorzy: Fanger P O tłum. Medyńska E red. Wargocki P Popiołek Z

(16)

projektowanie wentylowanych lub klimatyzowanych pomieszczeń. W rozdziale tym omówione zostaną niektóre postulaty i wyniki nowych badań, które są istotne aby w przyszłości zapewnić doskonałe warunki środowiska wewnętrznego.

Wydajność pracy a jakość powietrza wewnętrznego

Jakość powietrza wewnętrznego ma znaczny wpływ na wydajność pracy pracowników biurowych. Potwierdzają to wyniki najnowszych czterech niezależnych badaii naukowych. W pierwszym z nich badania prowadzono w pomieszczeniu biurowym, gdzie zmieniano jakość powietrza poprzez umieszczanie lub usuwanie dodatkowego źródła zanieczyszczeń, w taki sposób aby było niewidoczne dla użytkowników (Wargocki i in.1999). Stężenie zanieczyszczeń w obu przypadkach odpowiadało budynkowi o niskiej i nie niskiej emisji, zgodnie z nomenklaturą stosowaną w nowych europejskich wytycznych do projektowania środowiska wewnętrznego (CEN1998). Te same osoby wykonywały prace biurowe przez ponad 4 i pół godziny przy każdej z dwóch badanych poziomów jakości powietrza w pomieszczeniu. Ilość dostarczanego świeżego powietrza, tak jak i inne parametry środowiska w pomieszczeniu były jednakowe w obu przypadkach.

Wyniki wykazały, że wydajność pracy badanych osób była 6,5% wyższa (na poziomie istotności a<0.003) przy dobrej jakości powietrza, kiedy z pomieszczenia usunięto źródło zanieczyszczenia (rys.2.1). W tym przypadku osoby te popełniły również mniej błędów oraz obniżyły się dolegliwości określane mianem SBS. Badania te przeprowadzono w Danii. Zostały one powtórzone w Szwecji z podobnymi wynikami (Wargocki i in.2002).

znaKow/mmutę

P < 0 .0 0 3 146 -

143 .

140 .

137 .

134 .

biuro z nieobecnym biuro z obecnym źródłem zan ieczyszczeń źródłem zanieczyszczeń

Rys.2.1 Wpływ zanieczyszczenia powietrza wewnętrznego na wydajność pracy biurowej określonej przez szybkość przepisywania tekstu przy użyciu edytora na komputerze osobistym (Wargocki i in.1999)

Kolejne badania wykonano również w Danii, stosując to samo źródło zanieczyszczeń jak w powyżej omówionych dwóch badaniach, ale zmieniano ilość doprowadzanego świeżego powietrza tak, aby uzyskać strumień wynoszący 3, 10 i 30 l/s na osobę (Wargocki i in.2000). W tych badaniach stwierdzono, że wydajność pracy znacznie wzrosła przy zwiększeniu ilości doprowadzanego powietrza (rys.4.33 w rozdziale 4.6). Wyniki omówionych 3 badań, przeprowadzonych w 7 różnych warunkach eksperymentalnych z udziałem 90 osób, przeanalizowano następnie pod kątem zależności wydajności pracy od

(17)

jakości powietrza odczuwanej przez ludzi (rozdział 4.6) (Wargocki i in.2002). Wynik analizy przedstawiony jest na rysunku 4.31 w rozdziale 4.6 i wskazuje na znaczny wpływ jakości powietrza na wydajność pracy w pomieszczeniach biurowych - zmiana jakości powietrza o 1 decypol powoduje zmianę wydajności pracy biurowej o 0,5%. W czwartym badaniu, przeprowadzonym w warunkach podobnych do opisanych powyżej, dodatkowym źródłem zanieczyszczeń powietrza były 3-miesięczne komputery osobiste (rozdział 4.3.2) (Bako-Biro i in.2002). W tym przypadku obecność komputerów spowodowała 9% spadek wydajności pracy (na poziomie istotności a<0,01), a liczba niezadowolonych z jakości powietrza wzrosła trzykrotnie. Każdy z komputerów powodował zanieczyszczenie powietrza odpowiadające 3 olfom, tj. 3-krotnie większe niż zanieczyszczenie wydzielane przez jed n ą osobę (rozdział 4.1.1).

Oprócz negatywnego wpływu pogorszonej jakości powietrza wewnętrznego na ludzi, ostatnie badania wykazały również wzrost absencji chorobowej w miejscach pracy, gdzie jakość powietrza jest na średnim poziomie w porównaniu z miejscami pracy o wysokiej jakości powietrza (Milton i in.2000). W badaniach tych obserwowano tysiące pracowników dużej firmy w wielu budynkach biurowych i stwierdzono, że absencja była o 1/3 niższa w biurach, w których ilość świeżego powietrza doprowadzanego przez system wentylacji była dwa razy wyższy od typowego wydatku wentylacji w identycznych budynkach (odpowiednio 24 i 12 l/s na osobę).

Wiadomo powszechnie, że w pomieszczeniach o zbyt wysokich temperaturach, środowisko wewnętrzne może mieć negatywny wpływ na wydajność pracy (W yon1996) i dlatego też w regionach, gdzie przez długi okres utrzymują się wysokie temperatury zewnętrzne obserwuje się dodatnie oddziaływanie klimatyzacji na wydajność pracy.

Cytowane powyżej badania po raz pierwszy potwierdzają, że również jakość powietrza wewnętrznego m a znaczny i istotny wpływ na wydajność pracy. W porównaniu ze średnią jakością powietrza, występującą w wielu pomieszczeniach biurowych na świecie, wysoka jakość powietrza może z łatwością spowodować wzrost wydajności pracy o 5-^10%.

Wzrost ten należy oczywiście odnieść do nakładów energetycznych ponoszonych na wentylację i klimatyzację pomieszczeń. Ponieważ w krajach rozwiniętych nakłady te stanowią zwykle mniej niż 1% kosztów ponoszonych na pracowników, istnieje zatem silny ekonomiczny bodziec aby jakości powietrza wewnętrznego uległa poprawie. Przy niedostatecznie dobrej jakości powietrza, faktyczny koszt zmniejszonej wydajności pracy jest zwykle znacznie wyższy niż koszty energii, koszty inwestycyjne i koszty eksploatacji i utrzymania budynku.

Kontrola źródeł zanieczyszczeń a wentylacja

Najbardziej oczywistym sposobem poprawy jakości powietrza wewnętrznego jest wyeliminowanie z pomieszczeń zbytecznych źródeł zanieczyszczeń (rozdział 4.3.1).

Stosowane jest to z powodzeniem w celu kontroli jakości powietrza na zewnątrz budynków i w efekcie jakość powietrza zewnętrznego w wielu miastach w krajach rozwiniętych jest obecnie znacznie lepsza niż 20 czy 50 lat temu.

Nowe europejskie wytyczne dotyczące środowiska wewnętrznego (C EN 1998) kładą silny nacisk na projektowanie budynków i stosowanie nisko emisyjnych materiałów budowlanych. W wielu krajach, np. w krajach skandynawskich, powszechną praktykąjest dobór takich materiałów, które pozwolą na uniknięcie dolegliwości zdrowotnych określanych mianem SBS. Źródła zanieczyszczeń w systemach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych są poważnym problemem powodującym obniżenie jakości powietrza,

(18)

zanim jeszcze zastanie ono doprowadzone do pomieszczeń wewnętrznych (rozdział 4.4) (Fanger i in.1988). W przyszłości odpowiedni dobór materiałów i elementów składowych systemu wentylacji i klimatyzacji, a także dobór odpowiednich procesów przygotowania powietrza i prawidłowa eksploatacja systemów wentylacji i klimatyzacji powinny posiadać wysoki priorytet.

Kontrola źródeł zanieczyszczeń jest oczywistym sposobem na zapewnienie dobrej jakości powietrza wewnętrznego z jednoczesnym zmniejszeniem zużycia energii. Z drugiej strony, zwiększenie wydatku wentylacji również wpływa na poprawę jakości powietrza wewnętrznego i zmniejszenie dolegliwości zdrowotnych określanych mianem SBS (rozdział 4.6) (Sundell1994) (rys.2.2). Koszt zużytej energii może być w tym przypadku zminimalizowany przez skuteczny odzysk ciepła.

CQon

>, Bo

4->

Cl,

Rys.2.2 Ryzyko wystąpienia dolegliwości zdrowotnych określanych mianem SBS j a k o funkcja wydatku wentylacji w 160 budynkach biurowych w Szwecji (Sundell1 94) Jak ju ż wspomniano powyżej, najnowsze badania dowodzą, że sprzęt elektroniczny, taki jak komputery osobiste, może stanowić silne źródło zanieczyszczeń powietrza wewnętrznego (rozdział 4.3.2) (Bako-Biro i in.2002). Zanieczyszczenia te pochodzą z elementów elektronicznych znajdujących się wewnątrz komputera, które m ają wysokie temperatury (60+70°C) i em itują znaczne ilości związków chemicznych. Są one największe w przypadku nowego komputera, ale również ciągle znaczne przez większość czasu jego użytkowania. Pomierzone stężenia emitowanych pojedynczych związków chemicznych m ogą być niskie i wydawać się zatem nieszkodliwe, aczkolwiek równoczesna emisja wielu związków o niskim stężeniu może być uciążliwa dla ludzi. Inne rodzaje sprzętu elektronicznego (odbiorniki telewizyjne i radiowe, odtwarzacze CD, itp.) zawierają elementy elektroniczne podobne do stosowanych w komputerach osobistych i wobec tego one również m ogą stanowić źródło zanieczyszczeń powietrza pochodzących od urządzeń elektronicznych. Obecnie trw ają badania dotyczące wpływu emisji z tego sprzętu na jakość powietrza i odczucia ludzi. Oczywistą strategią dla jego producentów jest stosowanie materiałów pozwalających na zmniejszenie mocy źródła zanieczyszczeń lub instalowanie filtrów oczyszczających powietrze. Zanim to nastąpi, zaleca się użytkownikom sprzętu elektronicznego ograniczanie czasu jego pracy i odpowiednie zwiększanie wydatku wentylacji.

(19)

Chłodne i suche powietrze wentylacyjne

Przez wiele lat wilgotność powietrza wewnętrznego nie była uwzględniana w normach dotyczących wentylacji. Ogólnie przyjmuje się, że wilgotność względna raczej nie ma istotnego znaczenia dla ludzi, jeżeli tylko utrzymywana jest w przedziale pomiędzy 30 a 70% (ASHRAE1999, C EN 1988). Wynika to z faktu, że w zakresie temperatur komfortu wpływ wilgotności na odczucia cieplne dotyczące całego ciała człowieka jest niewielki (ISO1993, Fanger1970).

Istniejące normy i wytyczne wentylacji bazują na następującym założeniu:

w pomieszczeniu znajdują się pewne źródła zanieczyszczeń i konieczna je st wentylacja w celu obniżenia stężeń zanieczyszczeń chemicznych do poziomu, przy którym jakość powietrza będzie akceptowalna przez ludzi. Oznacza to, że powyższe dokumenty zakładają że na ocenę jakości powietrza wpływają wyłącznie odczucia związane z pracą zmysłu powonienia, tj. ocena ta zależy wyłącznie od składu chemicznego powietrza. Stąd można wnioskować, że wymagana ilość powietrza wentylacyjnego nie zależy od temperatury i wilgotności powietrza. Nie znalazło to jednak potwierdzenia w badaniach przeprowadzonych w komorach klimatycznych, które wykazały, że zarówno temperatura ja k i wilgotność, m ają wpływ na oceny jakości powietrza (Berglund i Cain1989).

Nowe obszerne badania przeprowadzone w Danii potw ierdzają że jakość powietrza silnie zależy od wilgotności i temperatury wdychanego powietrza (rozdz.4.2). Wykazano w nich, że ludzie w olą aby powietrze było suche i chłodne. Silny wpływ wilgotności i temperatury na jakości powietrza zaobserwowano w trakcie badań, w których 36 osób przebywających w komorze klimatycznej oceniało jakość powietrza zanieczyszczonego przez różne, typowe materiały budowlane (Fang i in.1998). Rys.2.3 ilustruje zależność między jakością powietrza a entalpią powietrza wilgotnego i pokazuje, że zmiana entalpii miała silny wpływ na ocenę jakości powietrza wyrażonej za pom ocą oceny jej akceptowalności, odsetkiem niezadowolonych lub w decypolach.

Rys.2.3 Ocena jakości powietrza w funkcji entalpii powietrza wilgotnego (Fang i in.,m ) Zmianę entalpii powietrza o stałym składzie chemicznym uzyskiwano poprzez zmianę temperatury lub wilgotności względnej powietrza, i nie miała ona wpływu na odczucia komfortu cieplnego gdyż osoby mogły regulować ilość odzieży w przypadku,

(20)

gdy było im za ciepło łub za zimno. W trakcie badań ocena akceptowalności jakości powietrza nie ulegała zmianie z upływem czasu, tj. nie wystąpiła adaptacja. Dwa inne badania przeprowadzone w Danii również potwierdziły doskonałą korelację pomiędzy entalpią i oceną akceptowalności jakości powietrza (Fang i in.1 8, Toftum i in.1998), z nawet jeszcze silniejszym wpływem entalpii. Były one prowadzone z udziałem około 70 osób, które oceniały jakość powietrza o rożnej temperaturze i wilgotności względnej, które dostarczone było bezpośrednio do strefy oddychania, czyli w pobliżu twarzy, a powietrze w otoczeniu miało stalą i nie zm ienną entalpię. Ten sposób oceny różni się od ocen dokonanych w powyżej wymienionych badaniach (Fang i in.1998), w których wilgotność względną i temperaturę powietrza zmieniano w całym pomieszczeniu, w którym znajdowały się osoby dokonujące oceny jakości powietrza.

Ochłodzenie dróg oddechowych przy każdym wdechu powietrza jest przyjemne dla ludzi, gdyż powoduje uczucie świeżości, które jest odbierane przez nich pozytywnie. Przy braku właściwego ochłodzenia dróg oddechowych powietrze może być odczuwane jako nieświeże, duszne i nie akceptowalne. Wysoka entalpia powietrza oznacza niską moc chłodzącą wdychanego powietrza, a zatem niewystarczające chłodzenie dróg oddechowych na drodze konwekcji i odparowania. Dotyczy to w szczególności nosa. Brak właściwego chłodzenia wiąże się ściśle z niską jakością powietrza odczuwanego przez ludzi. Zjawisko to jest analogiczne do dobrze znanego silnego wpływu temperatury na odczucia jakości podczas spożywania napojów, takich jak np. woda, wino lub szampan.

Strata ciepła poprzez oddychanie wynosi zaledwie około 10% całkowitej straty ciepła ciała człowieka, a więc wilgotność względna i temperatura wdychanego powietrza m ają jedynie niewielki wpływ na odczucie cieplne całego ciała. Prawdopodobnie też dlatego wpływ wilgotności względnej powietrza był poprzednio pomijany. Nowe badania wskazują, że lokalny wpływ temperatury i wilgotności względnej na drogi oddechowe, a wobec tego na jakość powietrza odczuwaną przez ludzi, jest znacznie wyższy niż przy odczuciach komfortu cieplnego dotyczącego całego ciała. Ma to istotne praktyczne konsekwencje. Oczywiste jest, że entalpia ma silny wpływ na wymagana ilość powietrza wentylacyjnego, a zatem i na zużycie energii. Wykazano, że ludzie oceniają jakość powietrza jako lepszą przy temperaturze wynoszącej 20°C, wilgotności względnej na poziomie 40% i niskim wydatku wentylacji rzędu 3,5 l/s na osobę, niż przy temperaturze 23°C, wilgotności względnej 50% i wydatku wentylacji 10 l/s na osobę (Fang i in.1999).

Korzystne jest zatem utrzymywanie umiarkowanie niskiej wilgotności względnej i temperatury powietrza, które powinny się znajdować w dolnym zakresie wartości wymaganych dla uzyskania komfortu cieplnego dla całego ciała. Wpłynie to na poprawę jakości powietrza odczuwanej przez ludzi i zmniejszy wydatek wentylacji.

Badania w budynkach biurowych wskazują, że umiarkowane temperatury i wilgotności względne powietrza powodują również spadek dolegliwości zdrowotnych określanych mianem SBS (Andersson i in.1975, Krogstad i in.1991) i m ogą spowodować oszczędność energii, zarówno zim ą jak i latem. Ostatnie badania prowadzone przy bardzo niskiej wilgotności względnej powietrza, pomiędzy 5% i 35%, wykazały, że można stosować wilgotności względne powietrza niższe niż zakładane dotychczas i nie będzie to miało negatywnego wpływu na ludzi (Wyon i in.2002). W badaniach tych przy wilgotności względnej powietrza wynoszącej 5% zwiększała się częstotliwość mrugania oczami, a wydajność pracy znacznie spadała. Jednakże ju ż przy wilgotności względnej powietrza wynoszącej 15% lub 20%, nie obserwowano negatywnych skutków na odczucia ludzi.

(21)

Doprowadzanie powietrza bezpośrednio do strefy oddychania - wentylacja miejscowa W wielu pomieszczeniach wentylowanych ilość świeżego powietrza, które jest doprowadzane przez system wentylacji ogólnej wynosi około 10 l/s na osobę, podczas gdy zaledwie 1% tej ilości, tj. 0.1 l/s na osobę, jest wdychana. Pozostałe 99% pozostaje niewykorzystane, co może być odbierane jako czyste marnotrawstwo. Co więcej, ten 1%

wdychany przez ludzi nie jest powietrzem czystym gdyż występują w nim zanieczyszczenia pochodzące od ludzi, elementów konstrukcji i wyposażenia budynków, a czasami nawet od dymu tytoniowego.

Zgodnie z powszechną praktyką, pełne wymieszanie czystego powietrza i zanieczyszczeń wydaje się ideałem. Przy zastosowaniu wentylacji wyporowej powodem do dumy może być osiągnięcie skuteczności wentylacji rzędu 1,2. Jednak w przyszłości przewiduje się stosowanie systemów wentylacyjnych, które będą doprowadzać małe ilości czystego powietrza, tj. powietrza które w miarę możliwości nie będzie zanieczyszczone przez źródła zanieczyszczeń występujące w pomieszczeniu, bezpośrednio do strefy oddychania poszczególnych osób znajdujących się w pomieszczeniu. Przy obecnie stosowanych systemach wyraża się zgodę na to, aby ludzie znajdujący się w pomieszczeniach wdychali powietrze, które poprzednio przeszło przez płuca innych ludzi i w którym oprócz zanieczyszczeń biologicznych znajdują się zanieczyszczenia chemiczne od źródeł występujących w pomieszczeniu. Z drugiej strony oczywistym jest, że spożywanie wody z basenu kąpielowego zawierającej zanieczyszczenia od kąpiących się w nim osób nie jest akceptowalne. Dlaczego zatem nie doprowadzać małych ilości powietrza o wysokiej jakości bezpośrednio do każdej osoby, zamiast dużych ilości o średniej jakości do całej przestrzeni 'wentylowanej? W pomieszczeniu biurowym taka indywidualna wentylacja miejscowa może być zrealizowana za pom ocą indywidualnego, ruchomego, nawiewnika umieszczonego na biurku (rys.2.4).

Rys. 2.4 Zasada wentylacji miejscowej. Małe ilości chłodnego, suchego i czystego powietrza dostarczane są pow oli bezpośrednio do strefy oddychania człowieka Osoba siedząca przy biurku wdycha wówczas czyste, chłodne i suche powietrze bezpośrednio ze środka strumienia powietrza, które dostarczane jest z niską prędkością i turbulencją, a więc nie powoduje odczucia przeciągu i nie miesza się z zanieczyszczonym powietrzem w pomieszczeniu.

(22)

IS ŚRODOWISKO WEWNĘTRZNE

Indywidualny dobór warunków komfortu cieplnego

Zapewnienie komfortu cieplnego każdej osobie w budynkach, gdzie wiele osób przebywa jednocześnie w tym samym pomieszczeniu, może być trudne (Fanger1970).

Istniejące, dobrze znane różnice w wymaganiach ludzi dotyczących temperatury pow odują że zastosowanie indywidualnego doboru warunków cieplnych jest dość oczywistym rozwiązaniem. Zmiana ubioru poszczególnych osób może zmniejszyć różnice w odczuwaniu warunków komfortu cieplnego, ale nie zawsze jest to możliwe w warunkach biurowych. Indywidualną kontrolę komfortu cieplnego osiągnąć można w przyszłości poprzez instalowanie ekranów zmieniających ilość ciepła oddawanego przez promieniowanie bezpośrednio z tyłu lub ponad daną osobą poprzez lekkie podgrzewanie lub chłodzenie krzesła, lub poprzez zmianę temperatury powietrza nawiewanego przez wentylację miejscową.

Podsumowanie

W wielu budynkach jakość powietrza wewnętrznego jest niezadowalająca i powoduje liczne skargi ich użytkowników, nawet w przypadku gdy spełnione są wymagania stawiane przez obowiązujące normy wentylacyjne. W przyszłości przewiduje się zmianę filozofii wentylacji i klimatyzacji w kierunku poszukiwania warunków środowiska wewnętrznego, które będą doskonałe z punktu widzenia użytkowników pomieszczeń, w odróżnieniu od obecnych wysiłków, skierowanych głownie na zmianę warunków w celu zmniejszenia niezadowolenia i liczby skarg.

Zdefiniowaną w ten sposób filozofię doskonałości można będzie zrealizować stosując się do następujących zasad:

• Lepsza jakość powietrza jest opłacalną gdyż powoduje wzrost wydajności pracy i zmniejsza liczbę dolegliwości zdrowotnych określanych mianem SBS.

• Powietrze wentylacyjne doprowadzane do pomieszczeń powinno być chłodne i suche.

• Małe ilości czystego powietrza wentylacyjnego powinny być doprowadzane bezpośrednio do strefy oddychania każdej z osób poprzez zastosowanie tzw. wentylacji miejscowej.

• Należy unikać zbytecznych źródeł zanieczyszczeń w pomieszczeniach.

• Warunki komfortu cieplnego powinny być tworzone dla poszczególnych osób, stosownie do ich preferencji cieplnych.

Wymienione zasady doskonałości systemów wentylacji i klimatyzacji stosować należy w połączeniu z dążeniem do poprawy skuteczności energetycznej i zrównoważenia energii.

Literatura do rozdziału 2

Anderson N H Frisk P LOfstedt B W yon D P 1975 Humal response to dry, humidified and intermittently humidified air in large office buildings Gavle Swedish Building research ( D ll)

ASHRAE/IESNA 1999 Standard 90.1-1999 Energy Standard for Building Except Low-Rise Residential Buildings Atlanta: American Society o f Healing and Air-Conditioning Engineers Inc

Bakó-Biró Z Wargocki P Fanger P O et al. 2002 Pollution from personal computers have a negative impact on perceived air quality, SBS symptoms and performance o f office work Proceedings o f the 9th

(23)

International Conference on Indoor Air Quality and Climate - Indoor Air 2002 (in press). Monterey:

Indoor Air

Berglund L and Cain W S 1989 Perceived air quality and the thermal environment Proceedings o f IAQ'89 345-350

Bluyssen P M de Oliveira Fernandes E Groes L Clausen G Fänger P O Valbjam O Bernhard C A and Roulet C A 1996 European indoor air quality audit project in 56 office buildings Indoor A ir 6 221-238

CEN 1998 Technical Report CR 1752 Ventilation for Buildings: Design Criteria for the Indoor Environment Brussels: European Committee for Standarization.

ECA (European Concerted Action "Indoor Air Quality and Its Impact on Man") 1992 Guidelines fo r ventilation requirements in buildings Report 11, EUR 14449 EN, Luxembourg-. Office for Publications of the European Communities

Fang L Clausen G Fänger P O 1998 impact o f temperature and humidity on perception o f indoor air quality Indoor A ir 6 80-90

Fang L Wargocki P Witterseh T Clausen G Fänger P O 1999Field study on the impact o f temperature, humidity and ventilation on perceived air quality, Proc o f Indoor A ir '99 vol II 107-112

Fänger P O 1970 Thermal comfort Danish Technical Press

Fänger P O Lauridsen J Bluyssen P Clausen G 1988 Air pollution sources in offices and assembly halls quantified by the o lf unit Energy and Buildings 12:1 7-19

Fisk W J Mendell M J Daisey J M Faulkner D Hodgson A T Nematollahi M. and M acher J M 1993 Phase 1 o f the California healthy building study Indoor Air 4 246-254

ISO 1993 EN ISO Standard 7730 Moderate thermal Environments - Determination o f the PMV and PPD indices and specification o f the conditions for thermal comfort

Krogstad A L Swanbeck G Barre g ird L i in, 1991 Besvär vid kontorsarbete med. oloka temperaturer I arbetslokalen — en prospektiv undersökning ( A prospective study o f indoor climate problems at different temperatures in offices) G öteborg VolvoTruck Corp

Mendell M 1993 Non-specific symptoms in office workers a review and summary o f the epidemiologic literature Indoor A ir 3 227-236

Milton D Glencross P and Walters M 2000 Risk o f sick-leave associated with outdoor air supply rate, humidification and occupant complaints Indoor A ir 10 212-221

Pejtersen J Brohus H Hyldgaard C F et al 1999 The effect o f renovating an office building on occupants comfort and health Proceedings Indoor Air 99 2 160-165

Sundell J Lindvall T Stenberg B and W all S 1994b Sick Building Syndrome (SBS) in office workers and facial skin symptoms among VDT-workers in relation to building and room characteristics Two case- referent studies. Indoor A ir 4 83-94

Toftum J Jorgensen A S Fänger P O 1998 Upper limits for air humidity to prevent warm respiratory discomfort, Energy a nd Buildings 28 15-23

Wargocki P Sundell J B ischof W et al. 2002 Ventilation and Health in Nonindustrial Indoor Environments Report from a European Multidisciplinary Scientific Consensus Meeting. Indoor A ir 12 (in press) Wargocki P Wyon D P Baik Y K Clausen G and Fänger P O 1999 Perceived air quality, Sick Building Syndrome

(SBS) symptoms and productivity in an office with two different pollution loads Indoor Air 9 165-179 Wargocki P Wyon D P Sundeil J et al. 2000 The effects o f outdoor air supply rate in an office on perceived

air quality Sick Building Syndrome (SBS) symptoms and productivity Indoor Air 10 222-236

Wyon D P 1996 Indoor environmental effects on productivity Proc. IAQ '96 Paths to Better Building Environments USA ASH RAE 5-15

Wyon D P Fang L M eyer H W Sundell J Weirsoe C G Sederberg-Olsen N Tsutsumi H Agner T Fänger P O 2002 Limited criteria for human exposure to low humidity indoors Proc. o f Indoor A ir 2002 Montereyl 4 400-405

(24)

(25)

3. KOMFORT CIEPLNY

Ponad 30 lat temu P.O. Fanger1970 zaproponował do oceny równowagi cieplnej wskaźniki: P M V - przewidywana średnia ocena i PPD - przewidywany odsetek niezadowolonych. Poprawność metody oceny równowagi cieplnej opartej na wskaźnikach PMV i PPD została potwierdzona w licznych badaniach prowadzonych w wielu regionach świata w rzeczywistych klimatyzowanych budynkach. Wskaźniki PM V i PPD znalazły zastosowanie w normach międzynarodowych (ISO1994, ASHRAE1992).

Dalsze badania prowadzone przez P.O. Fangera i jego zespół doprowadziły do określenia wpływu takich czynników jak: asymetria promieniowania cieplnego, gradient temperatury powietrza w pomieszczeniu, przeciąg i bezpośredni kontakt z ciepłymi lub zimnymi powierzchniami na odczucie lokalnego dyskomfortu cieplnego. Dopuszczalne wartości tych parametrów zostały wprowadzone do ww. norm.

Obecne normy wymagają aby wskaźnik P M V wynosił -0,5<PA/K<0,5, co gwarantuje, że wskaźnik PPD< 10%. Normy te dopuszczają prędkości powietrza, przy których znaczny procent użytkowników odczuwa przeciąg (wskaźnik przeciągu DR< 15%).

Przy takich wymaganiach dość znaczny odsetek użytkowników będzie niezadowolony z warunków cieplnych w pomieszczeniach.

Dla uzyskania 100% zadowolonych z warunków cieplnych zaleca się stosowanie indywidualnej wentylacji miejscowej (rozdz. 5.), która polega na bezpośrednim nawiewaniu powietrza do strefy oddychania człowieka. Taki sposób nawiewu może jednak narażać ludzi na odczucie przeciągu. Wpływ ruchu powietrza na odczucie przeciągu stał się przedmiotem obszernych badań prowadzonych przez zespół P.O. Fangera (Fanger i in.1 89, Toftum i in.2002, Toftum i in.2000, Zhou i Melikov2002, Zhou i in.20 2) Badania te omówiono w niniejszym rozdziale. W oparciu o wyniki eksperymentalnych badań P. O.

Fangera w zakresie ryzyka przeciągu opracowano matematyczny model symulacji odczuć człowieka i oceny lokalnego dyskomfortu cieplnego (Medyńska, Popiołek1999). Model ten przedstawiono w podrozdziale 3.7. Ponadto w podrozdziale 3.1 przedstawiono porównanie modelu P M V z modelem adaptacyjnym stosowanym do oceny środowiska cieplnego w budynkach nieklimatyzowanych w klimacie gorącym (Fanger i Toftum2001). Z tego porównania wynika możliwość rozszerzenia zastosowania wskaźnika P M V do ww.

budynków. W skaźnik P M V umożliwia ocenę środowiska cieplnego w stanie ustalonym.

Jednak często aktywność fizyczna ludzi zmienia się. Wpływ zmian metabolizmu wynikających ze zmian aktywności na odczucia cieplne ludzi omówiono w podrozdziale 3.2.

3.1 Komfort cieplny w przyszłości - oczekiwania i poszukiwanie doskonałości*

Obecne normy dotyczące komfortu cieplnego (ISO1994, ASHRAE1992) dopuszczają znaczne indywidualne różnice pomiędzy odczuciami cieplnymi ludzi i dyskomfortem cieplnym spowodowanym przez lokalne oddziaływania, np. ruch powietrza. Dla klimatu wewnętrznego normy stanowią kompromis uwzględniający odczucia przez znaczną ilość ludzi zarówno nadmiernego ciepła, jak i nadmiernego zimna. Normy te dopuszczają również prędkości powietrza, przy których znaczny procent użytkowników pomieszczeń odczuwa przeciąg.

•autorzy: Fanger P O Toftum J tłum. Ciuman H red. Humik M