A. Raczkowski, M. A. Skwarczyński, B. Połednik

OCENA KOMFORTU CIEPLNEGO W POMIESZCZENIU DYDAKTYCZNYM
WENTYLOWANYM NATURALNIE
EVALUATION OF THERMAL COMFORT IN NATURALLY VENTILATED
CLASSROOM
Andrzej Raczkowski, Mariusz A. Skwarczyński, Bernard Połednik
Politechnika Lubelska , Wydział InŜynierii Środowiska, Zakład InŜynierii Środowiska Wewnętrznego
ul. Nadbystrzycka 40B, 20-618 Lublin, e-mail: [email protected]
ABSTRACT
This paper investigates the thermal comfort level in naturally ventilated classroom at LUT, Poland. The
subjective survey involved questions on the thermal environmental perception for classroom occupants.
After conducting objective measurement, based on physical measurement Predicted Mean Vote (PMV)
was calculated. The analysis of results shows difference between thermal sensation votes and PMV value.
It was found that the calculated PMV value is lower than the assessments of respondents. Moreover the
occupants of naturally ventilated classroom are significantly more satisfied with their thermal
environment.
Key words: PMV, thermal comfort, air temperature, relative humidity of air, enthalpy of indoor
air.
Wprowadzenie
Mikroklimat
pomieszczeń
jest to stan
dynamicznie zmieniających się parametrów
fizyko-chemicznych wywierających wpływ na
organizm człowieka. Do głównych parametrów
mikroklimatu pomieszczeń moŜna zaliczyć:
warunki cieplno-wilgotnościowe (temperatura
powietrza, wilgotność względna, temperatura
powierzchni otaczających, prędkość powietrza
w strefie przebywania ludzi,) oraz warunki
higieniczno-zdrowotne (czystość i świeŜość
powietrza ujęte pod pojęciem jakości powietrza,
poziom hałasu dźwięku, natęŜenie pól
elektrostatycznych oraz elektromagnetycznych,
stopień zjonizowania powietrza).
Komfort cieplny jest to stan równowagi
termicznej organizmu, w którym człowiek nie
odczuwa ani chłodu ani gorąca. Mechanizm
oparty jest na procesie wytwarzania ciepła,
oddawania ciepła do otoczenia i odpowiedniego
fizjologicznego
dostosowania
temperatury
organizmu do warunków oraz pocenia się.
Percepcja komfortu cieplnego zaleŜy od
indywidualnych
predyspozycji
oceny
uŜytkowników, stopnia aktywności fizycznej,
izolacyjności cieplnej odzieŜy oraz stanu
zdrowia i ogólnego samopoczucia. Dyskomfort
moŜe wynikać zarówno z nadmiaru ciepła, jak
i chłodu. Ponadto niezadowolenie z warunków
cieplnych moŜe wystąpić lokalnie. Mamy do
czynienia wtedy z lokalnym dyskomfortem
cieplnym, spowodowanym np. zjawiskiem
przeciągu, asymetrii gradientu pionowego
temperatury,
etc.)
Prowadzone
badania
przyczyniły się do stworzenia wskaźników
PMV - przewidywana średnia ocena oraz PPD przewidywany
odsetek
niezadowolonych
słuŜących do oceny warunków cieplnych w
pomieszczeniach klimatyzowanych (Fanger
i in.,
2003).
Systemy
klimatyzacyjne
umoŜliwiają zapewnienie komfortu cieplnego na
akceptowalnym poziomie, jednakŜe wiąŜe się to
ze znacznymi kosztami inwestycyjnymi
i eksploatacyjnymi.
W pomieszczeniach bez klimatyzacji, wskaźnik
PMV przewiduje cieplejsze odczucia od
rzeczywistych (de Dear i Brager, 1998).
Rozwiązaniem
miał
być
współczynnik
oczekiwania
„e”,
uwzględniany
przy
obliczeniach PMV. Badania prowadzone na
trzech
kontynentach
potwierdziły
jego
skuteczność i moŜliwość wykorzystania
wskaźnika PMVe do oceny odczuć cieplnych,
jednak wszystkie one były prowadzone
w klimacie ciepłym lub gorącym (Bush, 1992,
de Dear 1985, Baker, 1995, de Dear i in. 1991),
nie ma zatem gwarancji, Ŝe w klimacie Polski
dadzą prawidłowe wyniki. Wskaźnik PMVe
otrzymano mnoŜąc wartość wskaźnika PMV
przez
przyjętą
wartość
współczynnika
oczekiwania „e” (tablica 1).
200
Tablica 1. Współczynnik oczekiwania dla nieklimatyzowanych budynków w gorących klimatach.
Oczekiwania Klasyfikacja budynków
Współczynnik
oczekiwania e
Wysokie
Nieklimatyzowane budynki w regionach, gdzie znajdują się 0,9÷1,0
równieŜ budynki klimatyzowane, ciepła pogoda występuje
w krótkich okresach letnich
Średnie
Nieklimatyzowane budynki w regionach, gdzie znajduje się 0,7÷0,9
pewna ilość budynków klimatyzowanych, ciepły sezon letni
Niskie
Nieklimatyzowane budynki w regionach, gdzie znajduje się 0,5÷0,7
niewiele budynków klimatyzowanych, ciepła pogoda
występuje w przez cały rok
Wyniki powyŜszych badań wykorzystano do
stworzenia modelu adaptacyjnego, w którym
jedyną zmienną jest przeciętna temperatura
zewnętrzna (de Dear i Brager, 1998), jednakŜe
pociąga to za sobą pewne niedoskonałości.
Prowadzone są badania nad wpływem
entalpii na komfort cieplny (Burek i in. 2006),
gdyŜ wiąŜe ona temperaturę i wilgotność
względną powietrza. Z badań wynika, Ŝe suche
i chłodne powietrze jest odczuwane jako świeŜe,
natomiast wilgotne i ciepłe jako duszne, mimo,
przy
identycznym
składzie
chemiczny
(Wargocki, 2004).
Innym parametrem wpływającym na komfort
uŜytkowania
pomieszczenia
jest
jakość
powietrza. Wywiera znaczący wpływ na ludzkie
zdrowie, samopoczucie i wydajność pracy.
O jakości powietrza wewnętrznego decyduje
wiele czynników, z których najwaŜniejsze to:
zanieczyszczenia gazowe oraz aerozolowe,
skład chemiczny powietrza (ASHRAE Standard
62, 2007).
Prowadzone są równieŜ badania nad wpływem
entalpii na wyczuwalną jakość powietrza
w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego
przebywania ludzi (Burek i in., 2006).
Wykorzystanie entalpii do określania odczuć
cieplnych człowieka i sterownia pracą systemu
uzdatniania powietrza w pomieszczeniu
znacznie uprościłoby metodykę zapewnienia
człowiekowi
odpowiedniego
środowiska
wewnętrznego.
Metodyka
W prezentowanych badaniach brało udział
trzydziestu studentów Wydziału InŜynierii
Środowiska Politechniki Lubelskiej. Wszystkie
osoby zostały przeszkolone w zakresie oceny
akceptowalności
odczuć
cieplnych
(t.j.
temperatury powietrza, średniej temperatury
promieniowania, wilgotności względnej oraz
prędkości powietrza). Studenci przebywając
w pomieszczeniu,
wykonywali
funkcje
odpowiednie dla danego rodzaju zajęć, (siedzieli
na krzesłach przy ławkach, gdzie mogli notować
i czytać w czasie ćwiczeń audytoryjnych lub
notowali i konsultowali się z prowadzącym
w czasie ćwiczeń projektowych.
Badania
przeprowadzono
w pomieszczeniu dydaktycznym, w którym
przewidziano jedno miejsce dla prowadzącego
oraz 20 miejsc, przy 10 stolikach dla studentów.
Pomieszczenie posiada jedną ścianę zewnętrzną,
w której znajdują się dwa aluminiowe okna
skierowane na południowy wschód. Dopływ
powietrza wentylacyjnego następuje przez
nieszczelności w oknach oraz z korytarza przez
drzwi wewnętrzne. Powietrze usuwane jest
z pomieszczenia przez dwa kanały wywiewne
o wymiarach 14x14cm.
Badane pomieszczenie podzielono na
dziewięć równych stref, w kaŜdej nich
zawieszono na wysokości 1,2 m czujnik
mierzący temperaturę powietrza wewnętrznego.
W centralnej części pomieszczenia umieszczono
dwa czujniki temperatury promieniowania
w postaci poczernionej kuli oraz dwa czujniki
prędkości
powietrza.
W
pomieszczeniu
wykonywano równieŜ pomiar wilgotności
względnej, w jednym punkcie zgodnie
z rysunkiem 1.
Do pomiaru temperatury powietrza
wewnętrznego jak i zewnętrznego uŜyto
czujników termo-oporowych (model KTY-81
firmy Philips) oraz anemometrów sferycznych
(model HT 412 z przetwornikiem HT 426
produkcji Sensor Elektronics), Zostały one
podłączone do karty pomiarowej PCL 818 firmy
Advantech umieszczonej w komputerze PC.
Pomiar wilgotności względnej rejestrowano
przy uŜyciu termohigrometru (model: LB 706
firmy LAB-EL Elektronika Laboratoryjna).
Niepewność pomiaru temperatury powietrza
wynosi +/- 0,1oC, wilgotności względnej +/-2%.
201
0
1
2
3
4
9
15
5
6
7
8
10
11
12
13
14
16
17
18
19
20
Rys.1. Schemat pomieszczenia dydaktycznego. (Tp1, Tp2 – pomiar średniej temperatury
promieniowania; T1, T2…T9 – pomiar temperatury powietrza wewnętrznego w poszczególnych punktach,
Tz – pomiar temperatury powietrza zewnętrznego, φ – pomiar wilgotności względnej powietrza; w –
pomiar prędkości powietrza w pomieszczeniu)
Badania były prowadzone w trakcie 90minutowych
zajęć
dydaktycznych,
prowadzonych przez przerwy. Równolegle
z pomiarami
wielkości
fizycznych
charakteryzujących
środowisko
termiczne
w pomieszczeniu,
przeprowadzono
wśród
uŜytkowników
pomieszczenia
badania
ankietowe. Odpowiedzi na ankiety, studenci
udzielali dwukrotnie: pierwszy raz zaraz po
wejściu do pomieszczenia oraz po 60 minutach
od rozpoczęcia zajęć. JednakŜe w artykule
zawarto odpowiedzi studentów otrzymane zaraz
a)
zaledwie
akceptowalne
zaledwie
nieakceptowalne
nieakceptowalne
b)
po wejściu do pomieszczenia. Pytania
ankietowe dotyczyły odczuć temperatury,
i wilgotności względnej, które zaznaczano na
skali podzielonej na sześć części (Rys.2b i 2c).
Oznaczenia przeliczano na wartości liczbowe
w przedziale (-3,3), przyjmując odczucia zimna
i bardzo suchego powietrza jako „-3”, odczucia
obojętnie jako „0”, odczucia gorąca oraz bardzo
wilgotnego
powietrza
jako
„+3”.
Akceptowalność jakości powietrza, odczuć
termicznych oraz wilgotności względnej
zaznaczano na skali podzielonej na dwie części.
zimno
chłodno
lekko chłodno
obojętnie
akceptowalne
lekko ciepło
ciepło
lekko wilgotne
wilgotne
gorąco
c)
bardzo suche
suche
lekko suche
normalne
bardzo wilgotne
Rys.2. Przykłady skali wykorzystywanych do oceny akceptowalności jakości powietrza (a), odczuć
termicznych (b), akceptowalności odczuć termicznych (a), ocenę wilgotności względnej (c) oraz
akceptowalności wilgotności względnej powietrza (a).
202
Oznaczenia przeliczano na wartości liczbowe
w przedziale (-1,1), przyjmując warunki
nieakceptowane jako „-1”, warunki zaledwie
nieakceptowane „-0” i zaledwie akceptowalne
jako „+0” oraz warunki akceptowalne jako „+1”
(Rys.2a), (Fanger P.O., 1973, Melikov A. i in.,
2005, Prek M., 2006, Zhang Y. i in., 2009).
Zmiana parametrów powietrza wewnętrznego
odbywała się pod wpływem zmiany parametrów
powietrza zewnętrznego, obciąŜenia cieplnego
pomieszczenia oraz od ilości osób w nim
przebywających Taki sposób uŜytkowania
pomieszczenia nie pozwolił na uzyskanie
skrajnych,
niekorzystnych
parametrów
powietrza wewnętrznego, w konsekwencji
warunki termiczne rzadko były oceniane jako
nieakceptowane.
Analiza uzyskanych wyników
Badania prowadzono w okresie wiosennym.
Wilgotność względna zmieniała się w zakresie
od 31% do 56%. Temperatura powietrza
wewnętrznego zmieniała się w zakresie od
18,9oC do 25,4oC. We wszystkich badaniach
prędkość powietrza zarejestrowana została poza
zakresem
pomiarowym
anemometru
(<0,05m/s).
Uznano za zasadne odniesienie akceptowalności
do entalpii powietrza, która jest funkcją
temperatury powietrza i wilgotności powietrza
i moŜe być uznana za wartość odniesienia dla
wszystkich
zmierzonych
czynników
termicznych.
W celu zbadania wpływu temperatury
i wilgotności
względnej
powietrza
wewnętrznego na ocenę jakości powietrza
ustalono zaleŜność między entalpią, temperaturą
oraz średnią oceną akceptowalności temperatury
powietrza
(Rys.3).
Stwierdzono,
Ŝe
akceptowalność temperatury osiąga wartości
największe na poziomie 0,4, gdy temperatura
zawiera się w przedziale od 19,2 do 21,3 oC co
odpowiada zmianie entalpii od 32,8kJ/kg do
37,3kJ/kg. Przy temperaturze około 25oC, ocena
akceptowalności temperatury jest mniejsza
i wynosi 0,3.
Analizie poddano równieŜ zaleŜność pomiędzy
wilgotność względną a entalpią. (Rys.4).
Największa
wartość
akceptowalności
wilgotności względnej odpowiadała wartości
wilgotności względnej w przedziale 47-50% co
odpowiadało zmianie entalpii w przedziale od
40,1 kJ/kg do 44,6 kJ/kg.
Wartości
akceptowalności
wilgotności
zmieniają się w niewielkim zakresie, poniewaŜ
podczas pomiarów wartości wilgotności
względnej powietrza wewnętrznego zawierały
się zawsze w przedziale komfortu cieplnego.
Przebieg krzywej jednoznacznie wskazuje, Ŝe
spadek wilgotności względnej poniŜej 30% oraz
wzrost powyŜej 57% spowodowałby spadek
oceny akceptowalności wilgotności względnej.
MoŜna, zatem uznać, Ŝe wartość wilgotności
względnej w zakresie 47% - 50% jest
optymalna.
Rys. 3. ZaleŜność temperatury powietrza wewnętrznego, oceny akceptowalności temperatury powietrza
wewnętrznego od entalpii powietrza wewnętrznego.
203
Rys . 4. ZaleŜność wilgotności względnej, oceny akceptowalności wilgotności względnej powietrza
od entalpii powietrza wewnętrznego.
Badania ankietowe pozwoliły na ocenę odczuć
cieplnych w pomieszczeniu. Jak widać na
rysunku 5, w większości przypadków, ocena
odczuć cieplnych zawiera się w przedziale
wartości (-1;1,5), co odpowiada odczuciom
z zakresu „lekko chłodno” – „ciepło”. Biorąc
pod uwagę dane zawarte na rysunku 3,
największe wartości akceptowalności odczuć
termicznych odpowiadają wartościom entalpii z
przedziału (32,8;37,3), co oznacza, Ŝe najlepiej
oceniane jest powietrze odczuwane jako „lekko
chłodne” do „lekko ciepłego” z przedziału
(-0,5;0,5).
Wykonano obliczenia Przewidywanej Średniej
Oceny odczuć cieplnych (PMV) na podstawie
zaleŜności opracowanych przez Fangera (Fanger
P.O., 1974). Otrzymane wartości róŜnią się
znacznie od wartości otrzymanych w badaniach
ankietowych (Rys.6). Stwierdzono, Ŝe obliczone
wartości
PMV
są
niŜsze
od
ocen
ankietowanych. Powodem róŜnicy moŜe być
fakt, Ŝe wzór wyprowadzono dla warunków
klimatu morskiego Europy zachodniej, gdzie
temperatury powietrza zewnętrznego, w zimie
i okresach przejściowych, są wyŜsze niŜ
w Polsce.
Rys. 5. ZaleŜność oceny odczuć cieplnych w pomieszczeniu od entalpii powietrza wewnętrznego.
204
Rys. 6. ZaleŜność PMV od entalpii powietrza wewnętrznego
W celu uzyskania zgodności wartości
wskaźnika PMV z wartościami oceny odczuć
cieplnych
oznaczonych
jako
PMVp,
w pomieszczeniach wentylowanych naturalnie,
naleŜałoby wykorzystać następującą zaleŜność:
obliczony wskaźnik PMVp jest zgodny z oceną
odczuć cielnych uzyskaną na podstawie ankiet.
PMVp= 1,98·PMV+1,77
ASHRAE Standard 62, 2007, American Society
of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning
Engineers.
(1)
NaleŜy zaznaczyć, Ŝe przedstawiona zaleŜność
jest poprawna dla danego doświadczenia
badawczego, w celu opracowania zaleŜności,
w załoŜeniu mającej szersze zastosowanie,
naleŜy wykonać serię dalszych badań w celu
potwierdzenia lub uściślenia wzoru.
Wnioski
Przedstawiona analiza pozwoliła wyznaczyć
przedział wartości temperatury powietrza
wewnętrznego oraz wilgotności względnej, dla
których akceptowalności były najwyŜsze.
Uzyskane wyniki są zgodne z danymi
literaturowymi
określającymi
optymalne
wartości temperatury i wilgotności względnej
dla danego typu pomieszczeń oraz sposobu ich
uŜytkowania.
NajwyŜsze wartości akceptowalności
odczuć cieplnych odpowiadają wartościom
entalpii z przedziału (32,8;37,3), co oznacza, Ŝe
najlepiej oceniane jest powietrze odczuwane
jako „lekko chłodne” do „lekko ciepłego”
z przedziału (-0,5;0,5).
Obliczone wartości PMV są niŜsze od
ocen
odczuć
cieplnych
ankietowanych.
Wyznaczono zaleŜność (1), na podstawie której
LITERATURA
BAKER N., STANDEVEN M., 1995, A
behavioural approach to thermal comfort
assessment in naturally ventilated buildings,
Proceedings from CIBSE National Conference,
76-84.
BUREK R., POŁEDNIK B., RACZKOWSKI
A., 2006, Study of the relationship between the
perceived air quality and the specific enthalpy
of air polluted by people, Archiwum Ochrony
Środowiska, vol. 32, No 2, 21-26
BUSCH J. F., 1992, A tale of two populations:
thermal comfort in air-conditioned and naturally
ventilated offices in Thailand, Energy and
Buildings 18, 235-249.
DE DEAR R.J., AULICIEMS A., 1985,
Validation of perceived mean vote model of
thermal comfort in six Australian field studies,
ASHRAE translations 91(2), 452-468.
DE DEAR R.J., LEOW K.G., AMEEN A.,
1991, Thermal comfort in humid tropics - Part I:
Climate chamber experiments on temperature
preferences
in
Singapore,
ASHRAE
Translations 97(1), 874-879.
205
DE DEAR R.J., LEOW K.G., FOO S.G., 1991,
Thermal comfort in humid tropics: Field
experiments in air-conditioned and naturally
ventilated buildings in Singapore, International
Journal of Biometeorology 34, 259-263.
DE DEAR R.J., BRAGER G.S., 1998,
Developing an adaptive model of thermal
comfort and preference, ASHRAE Translations
104(1a), 145-167.
FANGER P.O., Komfort cieplny, Arkady,
Warszawa 1974.
FANGER P.O., POPIOŁEK Z., WARGOCKI
P., Środowisko Wewnętrzne, Wyd. Politechniki
Śląskiej, Gliwice 2003.
MELIKOV A., PITCHUROV G., NAYDENOV
K., LANGKILDE G., 2005, Field study on
occupant comfort and the office thermal
environment in rooms with displaced
ventilation, Indoor Air, No 15.
POPIOŁEK Z., Energooszczędne kształtowanie
środowiska wewnętrznego, Politechnika Śląska,
Gliwice 2005.
PREK M., 2006, Thermodynamical analysis of
human thermal comfort, Energy No 31, 732743.
WARGOCKI P., FANGER P.O., KRUPICZ P.,
SZCZECIŃSKI A., Sensory pollution loads in
six office buildings and a department store,
Energy and Buildings No 36, 2004, 995–1001
ZHANG Y., ZHAO R., 2009, Relationship
between thermal sensation and comfort in nonuniform and dynamic environments, Building
and Environment, No 44, 1386-1391.