K.P.B. Politechniki Śląskiej Gliwice - Kokotek, 28.09 - 01.10.2000 r.
L ech Ś L IW O W S K I1
KRYTERIA BIOFIZYCZNE KOMFORTU CIEPLNEGO LUDZI W POMIESZCZENIACH
P o m ieszczenia w spółczesnych b u dynków pow inny zasp o k ajać uzasadnione potrzeby fizyczne i psychiczne ludzi w sposób ja k najp ełn iejszy stosow nie do m ożliw ości m aterialnych społeczeństw a. M ieszkańcy, pracow nicy i uczniow ie pow inni osiągać w sw ych dom ach oraz m iejscach pracy lub nauki m iędzy innym i stan zad o w o len ia ze środow iska cieplnego, które ich otacza, zw any kom fortem c ie p ln y m [l].
Człow iek, podobnie ja k zw ierzęta stałocieplne, utrzym uje stałą w ew nętrzną tem pe
raturę ciała niezależnie od znacznych naw et wahań tem peratury otoczenia. M echanizm y term oregulacyjne człow ieka dostosow ują się ilość ciepła w ytw arzanego w organizm ie i usuw anego z organizm u do potrzeb bilansu cieplnego pom iędzy człow iekiem , chłod-nie- lub cieplejącym środow iskiem . O środek term oregulacji znajduje się w m ózgu [2, 9].
Ciepło je s t w ytw arzane w ciele człow ieka nieprzerw anie. G łów ną pozycją przychodów w bilansie cieplnym organizm u je s t energia pow stała z przem iany chem icznej pokarm ów , dalsze to ciepło przyjęte przez prom ieniow anie i ciepło gorących potraw.
C zęść tej energii je s t niezbędna dla różnych procesów życiow ych, część m oże być zużyta do w ykonania określonej pracy - w iększość zaś je s t ja k o ciepło usuw ana z ciała. Część energii pow stała z utlenienia pokarm ów niezbędna do podtrzym ania procesów życiow ych, nosi nazw ę m etabolizm u podstawow ego. C ałkow ita ilość ciepła w ytw arzanego m etabolicznie zależna je s t od w ykonyw anych przez człow ieka czynności. W ielkość m etabolicznej produkcji energii określać m ożna przez pom iar konsum pcji tlenu.
W regionach ciała, gdzie z n a jd u ją się podstaw ow e organy u trzy m y w an ia je s t stale tem p eratu ra w ew nętrzna najo d p o w ied n iejsza dla ich funkcjonow ania. Jej poziom je s t dostosow any indyw idualnie do gospodarki cieplnej organizm u i zależy od w ieku, płci, uw arunkow ań psychicznych, sposobu ubierania się, odżyw iania, rodzaju pracy i innych czynników . R óżnice tem p eratu r w ew nętrznych p oszczególnych ludzi są niew ielkie. W y n o szą plus, m inus 1° od średniego poziom u 37°C.
O ile tem peratura w ew n ętrzn a ciała je s t u trzym yw ana na stałym poziom ie p o m im o zm ian tem peratury otoczenia, tyle tem p eratu ra skóry czło w iek a zm ien ia się stosow nie do tych w ahań. T em p eratu ra skóry je s t także różna w różnych m iejscach.
Ś rednia tem p eratu ra skóry ludzi znajdujących się w stanie kom fortu cieplnego w ynosi ' Prof. dr hab. inż., profesor nadzw yczajny w Politechnice W rocław skiej, kierow nik Z ak ład u Fizyki B udow li i Ś rodow iska
~33,5°C przy odchyleniu standardow ym 0,5 K pom iędzy nim i. N ajw y ższa je s t tem p eratu ra skóry n a szyi ~35°C, n ajn iższa na pow ierzchni stóp ~32°C.
S kóra odgryw a g łó w n ą rolę w w ym ianie ciep ła pom iędzy organizm em człow ieka i otoczeniem . C iepło, które m a być usunięte z ciała, tran sp o rto w an e je s t z je g o w n ętrza do skóry przez krew oraz częściow o przez tkanki. System term oregulacji reg u lu je intensyw ność przepływ u ciepła z w n ętrza ciała do je g o pow ierzchni głów nie przez zm ianę strum ienia krw i do skóry. W ielkie znaczenie m a te ż przew odnictw o cieplne skóry, które m oże się zm ieniać od 8 W (m 2K )_l przy najw iększym skurczu naczyń, p o przez 15 W (m 2K)‘' u człow ieka siedzącego w w arunkach kom fortu cieplnego, do 50 W (m 2K )'' lub w ięcej podczas intensyw nego p o cen ia się gorącym otoczeniu.
N agi m ężczyzna nie w ykonujący żadnej pracy je s t w stanie k om fortu cieplnego przy tem p eratu rze otaczającego go pow ietrza 28°C. W tej tem peraturze ciało je s t w ró w now adze term icznej z otoczeniem , nie w ystępuje term oregulacyjne pocenie się a tem peratura skóry m a śred n ią w artość ~34°C .G dy tem p eratu ra o to cze n ia m aleje organizm reaguje zm niejszeniem przew odnictw a cieplnego skóry i dopływ u do niej krw i. W w yniku tego obniża się tem peratura pow ierzchni skóry co p rzeciw działa w zrostow i utraty ciepła na skutek obniżenia tem peratury otoczenia. In n ą reak cją organizm u na ochłodzenie się otoczenia je s t w zro st m etabolicznej produkcji ciepła, który zw ykle nie je s t w stanie zrekom pensow ać strat.
G dy tem p eratu ra otoczenia w zrasta pow yżej kom fortow ej p ierw szą reak cją organizm u je s t rozszerzenie naczyń. W ięcej krw i p rzem ieszcza się do pow ierzchni skóry, której tem p eratu ra rośnie i ciepło m oże być usuw ane naw et do cieplejszego otoczenia. N astępnie organizm urucham ia pocenie się.
P odczas w y konyw ania pracy tem p eratu ra w ew nętrzna ciała u trzy m y w an a je s t na w yższym poziom ie niż w czasie bezczynności i m niej zależy od zm ian tem peratury oto czen ia niż od zm ian intensyw ności pracy. Z aś tem p eratu ra skóry zależy głów nie od tem peratury otoczenia, a je d y n ie nieznacznie od intensyw ności pracy.
W w arunkach gorących, gdy człow iek się poci, przyjęcie bardzo gorącego napoju pow oduje ostry w zrost w ydzielania potu w yw ołujący obniżenie tem peratury skóry i uczucie ochłodzenia. Jest to działanie efektyw niejsze niż w przypadku napoju zim nego.
O statecznym probierzem tego w jak im stanie kom fortu cieplnego człow iek się znajduje, są je g o w łasne odczucia[3]. Czynniki w pływ ające na odczucia ciepła podzielić m ożna na elem enty charakteryzujące człow ieka oraz elem enty m ikroklim atu charakteryzujące środow isko term iczne. K om fort cieplny nie je s t pojęciem całkow icie jednoznacznym zw iązanym z określoną tem peraturą. C złow iek m oże być stanie kom fortu cieplnego w dużym obszarze zm iennych tem peratur, a gdy tem peratura przekroczy ten obszar odczucie braku kom fortu nie je st nagłe. Reakcje człow ieka na tem peratur, która odpow iada odczuciu kom fortu zależą bardzo od jeg o oczekiwania, osobow ości i charakteru pracy. O dczucia kom fortu cieplnego ocenia się w siedm iopunktow ej skali. Przy czym za sferę kom fortu uw aża się trzy środkow e oceny odczucia ciepła.
W łaściw a reg u lacja tem peratury pom ieszczeń je s t szczególnie w ażna, gdy dotyczy dużej grupy ludzi. Jednak w tem peraturze kom fortow ej dla danej grupy 5%
ludzi je s t niezadow olonych. G dy tem p eratu ra w y k racza p oza optim u m liczba n iezadow olonych szybko w zrasta. Jeśli d o puścić 10% n iezad o w o lo n y ch tem p eratu ra p o w ietrza m usi być u trzy m an a w w ąsk ich granicach ±1,5 K w o k ó ł optym alnej.
T em p eratu ra w pom ieszczeniach, w których p rz e b y w a ją ludzie, p o w in n a być d o sto so w an a do m iejscow ego klim atu oraz poziom u cy w ilizacy jn eg o i raczej nie zm ieniać się z d n ia na dzień. O czyw iście najw yższy poziom k o m fo rtu cieplnego o sią g a ją ludzie przebyw ający w pom ieszczeniach klim atyzow anych, których c e c h ą je s t bardzo u stab ilizo w an a tem peratura.
Istnieje niew iele rzeczow ych d o w o d ó w sugerujących, że starsi ludzie w y m a g a ją innych tem p eratu r niż ludzie m łodzi. Poziom p o dstaw ow ego m etabolizm u o b n iża się z w iekiem lecz je s t to kom pensow ane przez o b n iżen ie utraty ciep ła poprzez p aro w an ie[4 j. D zieci m a ją w yższy m etab o lizm niż dorośli i to w ydaje się p o w o d o w ać o bniżenie ich tem p eratu r kom fortow ych. A priori nie m a pow odu, d la którego ko b ieta i m ężczy zn a m ogli m ieć takie sam e tem peratury kom fortow e. P oziom m etab o lizm u je s t n iższy u k obiet n iż u m ężczyzn, w y stę p u ją te ż inne w yraźne ró żn ice w term o reg u lacji.
Jednak b ad an ia laboratoryjne nie w ykazały znaczącej różnicy p om iędzy tem peraturam i k om fortow ym i kobiet i m ężczyzn. Przy czym kobiety s ą bardziej w rażliw e na zm iany w o k ó ł tem p eratu ry kom fortow ej.
C zło w iek m a zd o ln o ść określonej akceptacji do w a ru n k ó w g orących i chłodnych. A d ap tacja ta m a je d n a k charakter czasow y i nie zm ien ia tem peratury kom fortow ej osobnika.
W pływ p oszczególnych elem en tó w fizycznych śro d o w isk a n a k o m fo rt cieplny czło w ie k a zbadany w laboratorium nie w pełni p o tw ierd za się po d czas badań w w arunkach rzeczyw istych np. w m ieszkaniach, szkołach czy na stanow iskach pracy [5], O d czu cia cieplne respondentów u jaw n ian e s ą przez nich najczęściej w fo rm ie ocen kom fortu cieplnego, testujący zaś u siłuje o kreślić przy czy n y tak ich lub innych ocen.
Z n aczn a liczba w ystępujących jed n o c z e śn ie oddziaływ ań p o w o d u je konieczność p o słu g iw an ia się m etodam i statystycznym i. C zasem je d n a k otrzy m u je się negatyw ne oceny k om fortu tam , gdzie zm ierzone param etry term icznych elem en tó w m ikroklim atu s ą praw idłow e. O d czu cia takie ja k duszność, brak tlenu, ból głow y, zm ęczenie, senność w iązan e są najczęściej z m ikroklim atem . W yjaśnienie przyczyn tych o dczuć nie je s t proste. Istn ieją różne propozycje łączen ia ich z tzw . zespołem pozaterm icznych elem en tó w m ikroklim atu takich ja k zanieczyszczenia pow ietrza, jo n iz a c ja pow ietrza, poziom hałasu, n atężen ie pól elektrostatycznych i elektrom agnetycznych, radioaktyw ne p ro m ien io w an ie przegród, rodzaj m ikroflory i m ikrofauny w p o m ieszczen iach czy w reszcie o św ietlen ie i barw a.
O d d aw n a w idać dążenie do o pisania śro d o w isk a cieplnego czło w iek a w p o m ieszczeniach za p o m o c ą zm iennych fizycznych, które m o żn a łatw o regulow ać.
Z ap ro p o n o w an o w iele tzw . w sk aźn ik ó w kom fortu. K ażdy z nich o d zw iercied la zain tereso w an ia sw ego tw órcy co zn acznie ogranicza je g o u n iw ersalność. Ponadto każde poło żen ie zm iennych fizycznych w je d e n w sk aźn ik w y d aje się być teo rety czn ie niepraw idłow e. B ardziej zadow alającym rozw iązaniem je s t u w zg lęd n ie n ie m ożliw ie w szystkich zm iennych jed n o c z e śn ie ja k np. w rów naniu F an g era czy w standardow ej tem peraturze efektyw nej. Jednakże te zw iązki s ą d ość sk om plikow ane, ja k na m ożliw ości ich uniw ersalnego stosow ania. N ad al w ięc p o szu k u je się p rostego w sk aźn ik a kom fortu.
K om fort cieplny czło w iek a w p o m ieszczeniu zależy najbardziej od tem peratury tego pom ieszczenia. Istn ieją je d n a k czynniki które p o w o d u ją m niej lub bardziej m iejscow e o dczucia braku kom fortu rów nież w środow iskach ogólnie kom fortow ych pod w zględem cieplnym .
N arzek an ia na ogrzew anie radiacyjne w y w o d z ą się n a og ó ł z nieuzasadnionego przekonania, że istnieje m ożliw ość rekom pensow ania znacznych obniżeń tem peratury pow ietrza od tem peratury kom fortow ej stosunkow o niew ielkim i zw iększeniam i średniej tem peratury prom ieniow ania. Ten sposób m yślenia w yw odzący się z przyjem nych odczuć cieplnych słonecznego, w iosennego dnia, gdy słońce przy g rzew a a pow ietrze je s t chłodne i rześkie, nie odnosi się je d n a k do środow isk pom ieszczeń i nie znajduje potw ierd zen ia w w ynikach badań. N ależy w ięc uw ażać że w e w n ętrzach tem peratura p o w ietrza i śred n ia tem p eratu ra prom ieniow ania pow inny być zbliżone do siebie.
O grzew anie sufitow e pom im o znacznie w yrów nanych tem p eratu r pow ietrza w p o m ieszczeniu g eneruje dość d u ż ą asym etrię p ro m ien io w an ia cieplnego co m oże p ow odow ać o dczucia braku kom fortu.
Ź ródłem asym etrii prom ieniow ania cieplnego m o g ą być ró w n ież urządzenia ośw ietleniow e.
Z badań w ynika, że także tem peratura podłogi m oże m ieć w pływ na odczucie braku kom fortu.
N ajczęściej osiąga się ochłodzenie pom ieszczeń przez cy rkulację oziębionego i p ozbaw ionego w ilgoci pow ietrza. M ożliw e je s t także realizow anie ch ło d zen ia przez prom ieniow anie. M oże to pow odow ać o dczucia braku kom fortu p odobnie ja k np. zbyt zim ne p o w ierzchnie okien.
L udzie d o sto so w u ją rodzaj odzieży do zm ian tem peratury. N ie m a je d n a k dow odu, że ro b ią to przy krótkotrw ałych zm ianach tem peratury by zlikw idow ać ich stresujący w pływ .
M ożliw e je s t rekom pensow anie nadm iernego w zrostu tem peratury pow ietrza przez w zro st prędkości je g o ruchu. Istotnym problem em je s t m iejscow y zbyt duży ruch pow ietrza - przeciąg w ogólnie kom fortow ym cieplnie środow isku. N iek ied y zb y t n iska tem p eratu ra podłogi je s t m ylnie odczuw ana ja k o przeciąg.
W pływ w ilgotności pow ietrza na odczucia cieplne je s t w iększy w tem peraturach pow ietrza w yższych od kom fortow ej gdy człow iek poci się. W tem peraturach kom fortow ych je s t trudny do w ykrycia w badaniach laboratoryjnych. M ała w ilgotność pow ietrza w p om ieszczeniach je s t często o ceniana przez ludzi ja k o przy czy n a w y su szen ia skóry, śluzów ki, bólu gardła i głow y. S ą je d n a k dow ody, że m ałe w ilg o tn o ści w y stęp u ją łącznie z zanieczyszczeniam i pow ietrza, które w łaśn ie g e n e ru ją dolegliw ości. A rgum enty przeciw zbyt dużej w ilgotności pow ietrza w budynkach są zw ykle zw iązane z problem am i innym i n iż o dczucia cieplne. Stały poziom w ilgotności w zględnej pow ietrza pow yżej 70% sprzyja rozw ojow i pleśni. S ą tak że dow ody epidem iologiczne m ów iące o w zroście infekcji przy w ilgotności w zględnej pow ietrza poniżej 40% . Poniżej tego poziom u elektryzuje się także nadm iernie w iększość w ykładzin podłogow ych.
W iększość ludzi stara się w ykonyw ać pracę u m y sło w ą czy fizy czn ą w środow isku o kom fortow ej tem peraturze spodziew ając się słusznie zm niejszenia
w y d ajn o ści w środow isku zbyt ciepłym lub zim nym . Istnieje o gólny p o gląd, że spraw ność u m ysłow a gw ałtow nie spada po przekroczeniu tem peratury 33°C , m alejąc stopniow o p odczas w zrostu tem peratury od kom fortow ej do tego poziom u. Z badań d otyczących uczniów i studentów w ynika, że pow yżej 27°C ich zd olność percepcji je s t bardzo osłabiona. Z badań nad robotnikam i uzyskano pogląd, że ich w y d ajn o ść gw ałtow nie sp ad a po przekroczeniu 33°C, zaś przy w zroście od 24°C do 32°C m aleje o 1 % n a każdy K elw in. W pływ zim na na spraw ność je s t dw ojaki. G dy z m a rz n ą palce rąk m aleje ich spraw ność. Z im ny stres odd ziału je też n a system n erw ow y ogran iczając spraw ność um ysłow ą.
P om ieszczenie m ieszkalne, pracy i nauki m o żn a uznać z a rzeczy w iste środow isko człow ieka. W spółczesny statystyczny człow iek sp ęd za tam nieo m al c a łą dobę. P oddaw any je s t jed n o c z e sn e m u oddziały w an iu w ielo rak ich czynników w ew n ętrzn y ch i zew nętrznych, fizy czn y ch i pozafizycznych, biorących ud ział w kształto w an iu je g o stanu fizycznego i p sychicznego oraz dobrego i złego sam opoczucia.
P om ieszczenia, w których stale w y stę p u ją w arunki p ow odujące brak kom fortu cieplnego m o g ą sprzyjać rozw ojow i chorób przeb y w ający ch w nich ludzi. W p ły w ają te ż ujem nie n a w y d ajn o ść p racy i skuteczność w ypoczynku.
P o m ieszczen ia w n ow ow znoszonych b udynkach pow in n y kształtow ać m ik ro śro d o w isk a zapew niające ko m fo rt cieplny ludzi.
P o m ieszczen ia w budynkach istniejących, w których nie m a m ikroklim atu zap ew n iająceg o ko m fo rt cieplny ludzi pow inny zostać od p o w ied n io ulepszone.
Literatura
[1] A S H R A E standard T herm al E nvironm ental C o n d itio n s for H um an O ccupancy, 1992 ISSN 1041-2336
[2] L ech Ś liw ow ski, M ikroklim at w m ieszkaniu, C entralny O śro d ek Inform acji B udow nictw a, W arszaw a 1986.
[3] L ech Ś liw ow ski, K om fort cieplny ludzi w w ielorodzinnych budynkach m ieszkalnych. W ydaw nictw o Politechniki W rocław skiej, W rocław 1982.
[4] K. C ena, J.R .S potila, L .Śliw ow ski, T herm al c o m fo rt and clo th in g in the elderly.
International S ym posium on C lo th in g C o m fo rt S tudies in Mt. Fuji, 1988.8.29-31, F uji Insttute o f E ducation and T raining, Japan.
[5] E .Ś liw ińska, L .Śliw ow ski, T herm al co m fo rt o f w orkers at cool w orkplaces. In:
T herm al Physiology 1989, editor J.B .M ercer, E xcerpta M edica, International C ongress Series 871.
[6] P .S kov, O .V albiorn, B .P edersen, In fluence o f indoor clim ate on the sick building syndrom e in an office environm ent. S can.J.W ork E nvironm ental H ealth, 1990, 16.
[7] P .S kov, O .V albiorn, B .P edersen, Influence o f personal characteristics, jo b -re la te d factors and psychosocial facto rs on the sick building syndrom e, Scan. J.W ork E nvironm ental H ealth, 1989,15.
[8] L .Ś liw ow ski, R esults o f investigation o f the m icroclim ate in som e n ew apartm ent buildings in W roclaw , B u ild in g Science, v o l.7, 1972, P regam on P ress, O xford, L ondyn, N ew Y ork, Paris
[9] L .Ś liw ow ski, M ikroklim at w n ętrz i kom fort cieplny ludzi w pom ieszczen iach , O ficy n a P olitechniki W rocław skiej, W rocław 2000
B IO F IS I C A L F A C T O R S O F H U M A N T H E R M A L C O M F O R T S u m m ary
The relationship between hum an w arm th sensation and physical environm ent in com partm ent has been presented.
Paper also contains som e practice remarks.
