Ocena warunków cieplnych w pomieszczeniu za pomocą PMV oraz zmierzonych pól prędkości i temperatury

(1)

Seria: I NŻ Y NI E R IA ŚR O D OW I S K A z. 33 Nr kol. 1033

W a cła w NAWROCKI Zbi gn iew PO P IOŁ EK

Instytut O g r z e w n i c t w a , Wentylacji i Ochrony Po wietrza

Politechnika Slgska

OCENA W A R U N K Ó W CI E PL N Y CH W POM IE SZ C Z EN I U ZA PO M O C Ą PMV ORAZ ZM IE R Z ON Y CH PÓL PR ĘDKOŚCI I T E M P E R A T U R Y

S t r e s z c z e n i e . Za pomocą mo de lo wan ia fizykalnego pr zeanalizowano dla wyb ra neg o wari ant u ro zd ziału powietrza warunki cieplne w s t r e  fie pr zeb y w an i a ludzi. Warunki te oc eniono za pomocą pól tem per at u

ry i pr ędkości powietrza oraz na po ds tawie obliczo nyc h W a r t o ś c i ws k aź ni ka PMV (predicted mean vote). W y nik i pomiarów oraz oblicz e

nia wykazały, że nawet przy dużym za kresie zmian pr ędkości i te m p e

ratury pow ietrza w p om i es zcz en iu ws kaźnik PMV prz yjmuje wartości, które można uznać za zadowalające.

1. W PR O WA D Z EN I E

Efekt dzi ałania ogrzewa ni a po w ie trz ne go w obiektach przemysłowych po

legający na uzy sk ani u poż ąd an ych w ar u n k ó w cieplnych w stref ie pr z eby wa

nia ludzi zależy bardziej niż w prz ypadku innych spo so b ów ogrzewania od rozwiązania roz działu powietrza i w łaś ci wo ści cieplnych samego obiektu.

Warunki cieplne w obrębi e stefy przeby wa nia ludzi kształtują strugi nawiewane poprzez genero wa ni e w określonej przestrzeni procesu ae r od y na  micznego mies za nia i przepł ywó w wtórnych. Dla analizy procesu rozdziału powietrza z punkt u wid zen ia k sz t ałt ow an ych w a ru nk ów w strefi e pracy można w yk orz ys ta ć technikę fizykalnego m ode lo wa nia £ l ] .

2. CEL I M E T O D A BADAŃ

Za pomocą m od elo wa ni a fiz ykalnego w hali o wysokości 15 m i szerokości 18 m i pr zyj ę t eg o usytuowania ot wo rów nawiew ny ch i wywiewnych analizowano kształto wa nie się w a r u n k ó w w strefie pr zebywania ludzi w zależności od prędkości naw ie wa n i a powietrza. Badania prowadzono w modelu w skali 1:7,5. Otwory nawiewne roz mie sz cz one były na wys oko śc i 3,5 m. Otwory te ro zstawione co 6 m uzb rojone były w kierownice pionowe, przy czym ki e  rownice skraj ne rozwarte były pod kątem 90°.

(2)

76 W. Nawrocki. Z. Popiołek

Parametry poczętkowe strug nawiewnych do bierane były st osownie do strat ciepła hali przy zał oże ni u temperatury w strefie przebywania ludzi 16°C. Te mperaturę po wietrza nawiew ane go zmieniano w granicach 24 do 44°C przy zmianie prędkości nawiewania od 8,5 do 2,5 m/s. Od powiadało to czę

stotliwości wymiany powietrza w zakresie 2 do 5 wymia n na godzinę. Otwory wywiewne rozmieszczone były na wy so kości 3,5 m w pobliżu otworów na w i ew  nych.

Ocenę ot rzymanych wy n ik ó w badań w odnies ie ni u do strefy przebywania ludzi (dla poziomu 1,5 m) prowadzono opierajęc się o wy zn ac zon e [X]:

- P— ,« % - praw dopod obieńst wo wystę powania prędkości z przedziału

v*±

_

w i _+ 0,1 m/s, co charakte ry zu je równomierność rozkładu prę d

kości ,

- P , % - pra wd opo do bi eńs tw o w y stę po wa nia pr ęd koś ci z przedziału 0,15 w2 do 0,3 5 m/s, co cha ra k te r y zu j e stref ę przebywania z uwagi na

odc zu wan e warun ki cieplne,

- Pf> % - praw dopodob ieństwo występowa nia temperatury z przedziału t± + 1 K,

- w i , t\ - średnie wartości prędkości i temperatury na poziomie 1,5 m.

Określono ponadto różn icę A t pomiędzy średnimi temperaturami na po z io  mie 1,5 i 0, 1 5 m (At = t1 5 - Tq 1 5 ).

Taka ocena wynik ów badań uzupełniona została ocenę w a ru nk ów cieplnych w stref ie prz ebywania ludzi.

Warunki w tej strefie oc eniano zgodni e z |j3,

4

J wskaźnik am i PMV i P P D , przy czym wykaźnik PMV obl iczono na pod st awi e uzyskanych w yn ikó w pomiarów zakładajęc dodatkowo; wy twa r za n i e energii metabolicznej w ilości 116 W/m ,2 co odpowiada 2,0 met, oporność cieplnę odzieży 0,16 m 2 K/W, co odpowiada 1,0 clo oraz średnię temper at ur ę p r om ie nio wa ni a 13,7°C i wilgotność względnę powietrza 50%. Tak więc przyjęto, że w analiz ow an ym obiekcie nie wy stępuję urzędzenia będęce źr ó dł e m promien iow an ia i wilgoci.

Schemat roz mieszczenia pu nk tów pom iarowych oraz ot wo ró w nawiewnych i wywiewnych przedstaw io no na rys. 1. Pomiary w strefie przeby wa nia ludzi prowadzono w 54 punktach pomiarowych w pr zestrzeni przyjętej jako umownie obs ługiwanę przez jeden nawiewnik.

3. WYNIKI BADAIŃ!

W tablicy 1 pr zedstawiono zakres zmian parametr ów strug nawiewanych w trakcie badań, wyzna cz aję c do datkowo wart oś ci liczb Ar. Obliczone liczby Ar wskazuję, że naw ie wan e strugi były słabo nieizotermiczne.

W tablicy 2 zes ta wi ono uzyskane dane chara kte ry zu jęc e rozkład pr ę dk o  ści i temperatury powietrza w strefie prz ebywania ludzi oraz obl iczone wartości wsk aźnika PMY i PPD.

(3)

15m

Rys* 1. Rozmieszczenie punktów pomiarowych, otwo ró w nawiewnych i wywiewny ch oraz kierownic w nawiewniku F i g # 1 # Position of measurement points, supply and outlet openings and directing vanes in the ventilator

enawarunkówcieplnych

(4)

Tablic a 1

Zakres par am et rów strug nawiewanych

Prędkość nawiewania

uo . n/s

Te mp era tu ra powietrza na wiewanego

Te mp er a t ur a w strefie pr zebywania ludzi

Liczba wymian 2, l/h

Ar

2,5 44 16 1,5 0,053

3,5 36 16 2,0 0,019

5,0 30 16 3,0 0, 00 7

7,0 26 16 4,0 0,003

8,5 24 16 5,0 0,001

Tabl ic a 2

Wyniki analizy rozkładu prędkości i temperatury oraz w ar un ków cieplnych w s t re fi e prz ebywania ludzi

Poz

Prędk oś ć nawiew an ia uQ , m/s

2,5 3,5 5,0 7,0 00 in

% %

P C'

r /o

w2

p_ pr

p ti

A t K

tt °c

m/s PMV

PPD %

58.5

26,0

81,0

3,7 17.5

0,11 0,16 5,58

82,0

70.0

82.0

1,9 17,3

0,1 8 0,07 5,22

73.0

81.0

96,0

0,4 15,4

0,20 0,10 5,23

69.0

83.0

1,4 15,7

0,22 -0,14 5,54

49.0

51.0

86.5

0,8 15.6

0,31 -0,17 5,77

Dane te wska zu ję na z r óż ni co wan ie prawd op od obi eń st wa wystę pow ani a prędkości w przy ję ty m przedz ial e 0, 1 5 do 0,35 m/s od 26 % do 81% przy zni

komym zróż ni cow an iu prawd op od obi eń st wa wys tę p ow a ni a temperatury od 9 6 % do 81%. Można w i ęc przyjąć, że pożądany rozkład temperatury i prę dkości w strefie p rze byw an ia ludzi dla anal izo wa ne go s ys te mu rozdziału powietrza wystąpi przy prędkości nawiewania 5,0 m/s.

Analizując wyniki badań z punktu widze ni a w a ru nk ów cieplnych w y z n a c z o  ny ws kaźnik PMV mieści się w przedzia le warto śc i -0, 5 < PMV < + 0 , 5 , a więc wskaźnik PPO jest niższy od 10%. Tak więc dla całego przyjętego w ba d a  niach przedziału zmian prę dkości nawiewan ia warunki cieplne w strefie przebywania ludzi są zad owalające w świetle obowiązującej normy [V]*

(5)

R y s .

Fig.

Rys.

Fig.

!. Wpł yw tem peratury powietrza na warunk i komfortu cieplnego w yr a żo  ne ws k a źn i ki e m P W i PPO

!. The effect of air tempe rat ur e on thermal comfort conditions ex

pressed by means of PMV and PPD indices

P M V 0,50

0,25

- 0 2 5

-

0£0

- r P P D

I

- -

M = 2 m et L i - 1,0clO + 0 - 1 6 ° C if = 5 0 % t r - 13,7°C

- P M V P P D ,%

10 8

6 A

2

0

0 2 Q3 0,6 0,8 w0 ,tn/s

5. W p ł y w prę dk o śc i powietrza na waru nk i komfortu cieplnego wyrażone wskaźn ik iem PMV i PPD

5

. The effect of air velocity on thermal comfort conditions expressed by means of PMV and PPD indices

(6)

74 W. Nawrocki, Z. Popiołek

P M V P P D ,%

10

8

6 A

2

0

20

A0

60 80

Rys. 4. W p ł y w wilgo tn ośc i względnej powietrza na warunki komfortu ci e pln e

go wyraż on e ws kaź n i ki e m PMV i PPD

Fig. The effect of relative humidity of air on thermal comfort condi

tions expressed by means of PMV i PPD indices

Dla oceny wpływu zmian temperatury i pr ęd kości powietrza oraz wi l g o t  ności względnej na wartość wsk aźnika PMV przy pozostałych wie lkościach przyjętych jak w pkt 2 pr ze pro wa dz ono obliczenia, których wyniki zi lu st r o

wano na rys. 2, 3 i 4. Ot rzymane zależno śc i potwierdziły moż li wo ść do p u  szczenia do stosunk owo znacznych zmian prędkości powietrza (od 0,2 do 0,8 m/s) przy stałej temperaturze powietrza, bez konsekwencji przekroczenia zalecanych wa rtości PMV. Po dobnie pr zedstawione na rys. 3 zmiany t em per a

tury powietrza w granicach 4° C przy pr ędkości powietrza 0,3 m/s nie powo

duję zmian wartości ws kaźnika PMV wyc ho d zę c yc h poza przedział uznany za właściwy.

Przedstawiony na rys. 4 wpł yw zmiany wi lg otn oś ci względnej powietrza na wartość wsk aźnika PMV jest znikomy.

4. PODS UMO WAN IE

Dla określ on ego sposobu rozdziału powietrza można wyzn ac zy ć optymalnę wartość pa r a me t ró w st ru gi nawiewanej z uwagi na pożędany rozkład tempe ra  tury i prędkości w strefie przebywania ludzi. W ana liz ow any m przypadku za optymalnę można uznać pr ędkość nawiewania wynoszęcę 5,0 m/s.

(7)

Ocena wa ru n k ów w stre fie przeb yw ani a ludzi obiektu przemysłowego z punktu widz eni a ko mfortu cie pl ne go wykazała, że warunki te sę spełnione w stosunkow o s z er ok im zak re sie zmian te mperatury i prędkości. Stęd też istotnym elem en te m w oc enie war un k ów cieplnych w tego typu obiektach jest właściwa ocena poziomu a kty wn oś ci czł owieka i trafne określ eni e izol ac yj

ności cieplnej odzieży.

Dla roz pa try wa ne go sposobu rozdziału powietrza wyznaczone drogę ob l i  czeń warunk i komf ort u ci epl ne go sę sp e łn io ne w całym przedziale an al izo  wanych zmian pr ędkości nawiewania.

LITERATURA

£l^ Mierzwi ńs ki S . , Ma jerski S . : M ode lo wa nie pr ocesów wentylacji. Nowa technika w i nż yni er ii sanitarnej, zeszyt 2, Arkady, Warszawa 1972.

D G Mierzwi ńs ki S . , Nawr oc ki W . : Air fIow and energy management in warrn air h ea ti ng of indust ria l halls, In ternational Congress on Building Eneray Management. Lozanna 1987.

W Fanger P.O.: Komfort cieplny. Arkady, Wars za wa 1974.

jjt] PN-85/N-08013. Śr od ow isk o te rmiczne umiarkowane. Określanie wsk aź ni ków PMV, PPD i wymag ań do ty czę cy ch komfortu termicznego.

OUEHKA TEIUI03HX yCJIOBHË B IICKEIĘEHHH C IICMOmbH) nOKA3âTEJI5î PMV H H3I.IEPEHHKZ II0JIE2 CK0P0CTE3 H TEIfflEPATyPHIK IIOJIEa

P e 3 k> m e

C n o M o ą tio $ H 3 H q e c K o r o M o ^ e z a p o B a n H a j y i s H 3 ó p a H H o r o B a p n a i r r a p a c n p e ^ e J i e - h h h B 0 3 ^ y x a 6 łd i n p o B e fle n a H a jin 3 T e M n e p a T y p H H x y c z o B H i ł b 3 o n e n p e S u B a H a s Juo,ąe&, y czo B H H : s t h o n e H u s a j m c b o n o M o ą b io n o z e f i T e w n e p a T y p n h C K o p o c T e S b o 3 - j ç y x a , a r a K s e o n n p a a c b H a p a c H H T aH H H e 3 H a n e H H a n o K a a a T e M : PMV. P e 3 y z B T a T H 5 î3 u e p e H H fi h p a c n e T b i Ą 0 K a 3 a z H , h t o ^ a x e b S o jib m H x n p e ^ e j i a o c H 3M eHeHHii c z o p o c - t k h T e M n e p a T y p u B 0 3 ^ y x a b n o M e ą e H H H n o K a s a i e j i b p m v u p n H H M a e i 3H a<ieH H H , k o- T o p u e M03KH0 C H H T aT b y flO B JieT B O p H T eab H Ł M H ,

EVALUATION OF T H E R M A L CON DI T IO N S IN A ROjOM B Y MEANS OF PMV IN DE X A N D ME A S UR E D VE L OC I T Y

AND T E M P E R A T U R E FIELDS

S u m m a r y

Th er mal conditi on s in the oc cupied zone were analyzed by means of phy sical mo del l i ng for one sele cte d air distribution. The conditions were

(8)

evaluated by means of air te mperature and velocity fields and with the use of calculated values of PMV (Predicted Mean Vote) index. Th e m ea su re  ment and cal culation results have proved that even at wide ranges of air temperature and velocity changes in jthe room PMV index values may be considered satisfactory.