Pomiary parametrów i urządzeń termoenergetycznych

Transkrypt

1 Zdzisław Kabza Pomiary parametrów i urządzeń termoenergetycznych Politechnika Częstochowska Kierunek studiów: Energetyka Rok akademicki 2010/2011

2 CZĘŚĆ I POMIARY PARAMETRÓW TERMOENERGETYCZNYCH I ŚRODOWISKOWYCH

3 1. Mikroklimat - podstawowe pojęcia, wymagane parametry Teoria i praktyka kształtowania środowiska w pomieszczeniach w związku z tendencją zwiększania produktywności i dąŝeniem do oszczędzania energii przy jednoczesnym podnoszeniu wymagań komfortu cieplnego, rozwijała się w ostatnich latach Ŝywiołowo, szczególnie w państwach technicznie zaawansowanych. Prowadzone były przede wszystkim prace nad stosowaniem i efektywnością energetyczną systemów indywidualnej wentylacji miejscowej, zjawiskiem przeciągów i wpływem intensywności turbulencji i jej parametrów dynamicznych na odczucie komfortu oraz nad wyznaczeniem strefy komfortu z wykorzystaniem modelu Fangera, która byłaby, w nowym ujęciu, bardziej spójna z normą ISO 7730:1994 [45]. Ponadto, prowadzone są prace nad wyznaczeniem strefy komfortu dla budynków nie wentylowanych, z wykorzystaniem modelu adaptacyjnego [10, 17, 36]. Oddzielną grupę stanowią prace nad kształtowaniem jakości powietrza wewnętrznego oraz nad ujednoliceniem przepisów europejskich nt. dopuszczalnych ilości zanieczyszczeń w powietrzu wewnętrznym oraz nad ich wykrywaniem i monitorowaniem. Prace takie prowadzone są w Polsce i UE. W Unii koordynuje je brytyjskie ministerstwo zdrowia [11], uczestniczy w nim równieŝ Polska. W ostatnich latach wiele zagadnień związanych z mikroklimatem doczekało się innego, niŝ tradycyjne ujęcia. Na przykład, w badaniach jakości powietrza, wpływu temperatury i wilgotności jest obecnie rozpatrywany łącznie, jako wpływ entalpii wilgotnego powietrza na odczucia jakości środowiska [34, 6]. W roku 2002 wydana została Dyrektywa 2002/91/EC Rady Europy i Parlamentu Europejskiego, Jakość energetyczna budynków (tzw. dyrektywa EPBD), która wprowadza zalecenia do opracowania takich metod szacowania zuŝycia energii w budynkach, aby moŝliwe było porównywanie efektywności zuŝycia energii w róŝnych budynkach. W związku z dyrektywą EPBD podjęto prace nad sformułowaniem wytycznych dla wyboru energooszczędnych parametrów klimatu wewnętrznego, tak aby spełnione były wymagania Unii Europejskiej. Kryteria regulacji klimatu wewnętrznego w postaci projektu normy pren 15251:2005 [48] słuŝyć mają projektantom budynków i systemów HVAC przy ustalaniu parametrów wejściowych, przy obliczaniu zapotrzebowania na moc cieplną oraz do wymiarowania urządzeń grzewczych i wentylacyjnych w budynku. Większość zagadnień środowiska wewnętrznego, w nowoczesnym ujęciu, opisuje monografia pod redakcją Fangera, Popiołka oraz Wargockiego [14] oraz monografie nt. techniki pomiaru i regulacji systemów HVAC i klimatu wewnętrznego [46, 29] wydane przez Politechnikę Śląską. Metody badań i oceny mikroklimatu wewnętrznego omawia wydana po polsku monografia nt. klimatyzacji Jones`a [25], monografia Śliwowskiego z 2000 r. [32], przeglądowe opracowanie Kostyrko i Łobzowskiego z 2002 r. [31], cykliczne monografie nt. jakości powietrza wydawane przez Politechnikę Warszawską [24] oraz podręcznik akademicki Kabzy i Kostyrko z 2004 r. [27]. Wymagania mikroklimatu w obszarze stanowiska pracy analizował, dla potrzeb CIOP, Sołtysiński [54], a problemy mikroklimatu w budynkach inwentarskich Wolski [58]. Badania mikroklimatu prowadzone są na politechnikach Opolskiej [28, 26], Wrocławskiej [32], Śląskiej [46], Krakowskiej [35], Warszawskiej [23] i Lubelskiej [57]. Uhonorowaniem osiągnięć polskich badaczy było utworzenie w Polsce, w ramach VI Programu Unii Europejskiej, Centrum Doskonałości ENER-INDOOR w dziedzinie energooszczędnych technologii, klimatyzacji i wentylacji [12], które działa w ramach Katedry Ogrzewnictwa Wentylacji i Techniki Odpylania Politechniki Śląskiej w Gliwicach.

4 1.1. Środowisko wewnętrzne Wymagania środowiskowe uŝytkownika budynku, których spełnienie prowadzi do akceptacji środowiska wewnętrznego (ang. indoor environments) a w szczególności klimatu wewnętrznego (ang. indoor climate) odczuwanego w pomieszczeniu były w ostatnich latach przedmiotem wielu norm i opracowań. Powodem tego zainteresowania była potrzeba korzystania z norm precyzujących wymagania środowiskowe dla pomieszczeń róŝnego przeznaczenia, przy opracowywaniu załoŝeń projektowych oraz przepisów techniczno- budowlanych dla budynków. Mówi o tym norma PN-ISO 6242:1999 Budownictwo WyraŜanie wymagań uŝytkowników [43], w której określono i podano oficjalną terminologię parametrów środowiska wewnętrznego, wykorzystywanych przy rutynowym sprawdzaniu właściwości uŝytkowych budynku. Podano w niej równieŝ jakie kryteria, powinny być stosowane przy ocenie, czy wymagania uŝytkownika są spełnione. Norma ISO 6242, składająca się z czterech arkuszy, dotyczy następujących wymagań środowiskowych: (1) wymagania dotyczące środowiska termicznego (PN-ISO :1999); (2) wymagania dotyczące jakości (stopnia czystości) powietrza wewnętrznego (PN-ISO :1999); (3) wymagania akustyczne; (4) wymagania dotyczące oświetlenia. W polskim prawodawstwie, w Rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Społecznej z r. w sprawie najwyŝszych dopuszczalnych stęŝeń i natęŝeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy [51], jako czynniki kształtujące ujemnie środowisko wewnętrzne, a w szczególności środowisko pracy wymieniono: stęŝenia chemiczne i pyłowe, hałas infradźwiękowy i hałas ultradźwiękowy, drgania działające na organizm, mikroklimat gorący i zimny, promieniowanie optyczne nielaserowe, promieniowanie laserowe, promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu częstotliwości od 0 Hz do 200 GHz. Jeszcze szerszą definicję elementów związanych ze środowiskiem wewnętrznym, które mają wpływ na uŝytkownika pomieszczenia, z podziałem wg natury oddziaływań, podaje projekt amerykańskiego przewodnika ASHRAE z 2005 r. pt: ASHRAE Guideline 10. Criteria for Achieving Acceptable Indoor Environments [6]. Są to oddziaływania : chemiczne gazy i opary organiczne i nieorganiczne; fizyczne oddziaływania termiczne (temperatura, prędkość przepływu, asymetria promieniowania), oddziaływania wilgotnościowe, oddziaływania elektromagnetyczne, oddziaływania pól elektrostatycznych; mechaniczne osiadanie pyłów oraz hałasy i wibracje; biologiczne organizmy Ŝywe (wirusy, bakterie i grzyby, które dzielą się na lotne i nie lotne); psychologiczne rzeczywiste zagroŝenia zdrowia oraz obawa zagroŝeń mających związek ze środowiskiem. JednakŜe w konkluzji przewodnika ASHRAE [6] stwierdzono (tak jak w normie ISO 6242), Ŝe dla podziału typów środowiska wewnętrznego na kategorie najwaŝniejsze są cztery elementy środowiska wewnętrznego tj.: jakość powietrza, klimat wewnętrzny, hałas i światło. Elementy te większości przypadków przesądzają w o tym, czy mamy do czynienia z akceptowanym

5 środowiskiem wewnętrznym (ang. acceptable indoor environments). Termin ten, stosowany coraz częściej w literaturze fachowej [6, 48, 7], oznacza, Ŝe przewaŝająca część uŝytkowników (80, 90 lub 95%) uwaŝa (akceptuje), Ŝe środowisko spełnia wymagania do przebywania w nim i jest dostosowane do celu w jakim uŝytkownicy w nim przebywają. NaleŜy pamiętać, Ŝe według normy PN-B-01411:1999 [38] Wentylacja i klimatyzacja. Terminologia mikroklimat pomieszczenia, noszący częściej w literaturze nazwę klimatu wewnętrznego (ang. indoor climate), kształtowany jest szczególnie przez te warunki środowiskowe, istniejące w pomieszczeniu, które są wynikiem jednoczesnego odczuwania przez człowieka czystości ( świeŝości ) powietrza oraz warunków termicznych, a tym samym oddziaływania na człowieka składu chemicznego, zanieczyszczeń biologicznych powietrza i jego temperatury, wilgotności względnej i prędkości przepływu, a takŝe temperatury otaczających przegród. Z powyŝszych ustaleń wynika, Ŝe regulacja mikroklimatu, która obejmuje jedynie regulację środowiska termicznego (PN-ISO :1999) oraz czystości powietrza (PN-ISO :1999) moŝe nie dać podstaw do pełnej akceptacji środowiska wewnętrznego. Regulacja mikroklimatu odnosi się, gdy znany jest metabolizm i izolacyjność odzieŝy uŝytkownika pomieszczenia, równieŝ do regulacji i akceptacji komfortu cieplnego Warunki termiczne Poczynając od lat dziewięćdziesiątych, w których prowadzony był program badawczy ASHRAE RP 884 pod kierunkiem de Deara, przy rozpatrywaniu zagadnień regulacji klimatu wewnętrznego rozpatruje się w róŝny sposób budynki z centralną klimatyzacją i budynki z wentylacją naturalną [10, 6] Wielkości fizyczne klimatu wewnętrznego niezaleŝne od fizjologii człowieka Temperatura powietrza Ta lub Өa, K lub oc. Temperatura powietrza otaczającego ciało człowieka, mierzona poza graniczną warstwą wymiany ciepła przyległą do ciała człowieka i wskazywana przez termometr osłonięty przed promieniowaniem. Średnia temperatura promieniowania Tmr lub Өmr, K lub o C. Równomierna temperatura powierzchni promieniującej ciała czarnego, w którym człowiek (mieszkaniec pomieszczenia) wymieniałby tę samą ilość ciepła drogą promieniowania Hr, jak w rzeczywistej, niejednorodnej przestrzeni. [Definicję ilustruje rysunek 1.1 [31]. Temperatura płaszczyzny promieniowania Tr lub Өr. K lub o C. Równomierna temperatura osłony, w której promieniowanie po jednej stronie małego płaskiego elementu, jest takie same jak to, które emitowane jest w rzeczywistej niejednorodnej termicznie przestrzeni. Asymetria temperatury promieniowania Ө, Tp., K. RóŜnica między temperaturami promieniowania płaszczyzn ograniczających z przeciwległych stron mały płaski element.

6 Wielkość Tp nie została zaliczona do wielkości fizycznych charakteryzujących środowisko cieplne w nowym wydaniu normy PN-EN ISO 7726:2002 [44]. Promieniowanie bezpośrednie rd, W m -2 w danym punkcie powierzchni strumień energetyczny (ukierunkowanego promieniowania podczerwonego), wychodzący z elementu powierzchni lub padający na element powierzchni, dzielony przez pole tego elementu [44]. Jest to parametr charakteryzujący powierzchnie grzejne i chłodzące w pomieszczeniach. Prędkość przepływu powietrza Өa, m s-1. Prędkość przepływu powietrza mierzona przez czujnik reagujący na prędkość strumienia powietrza, niezaleŝnie od kierunku tego strumienia. Prędkość przepływu powietrza względna Өar, m s-1. Jest to prędkość przepływu powietrza względna w stosunku do poruszającego się człowieka. Wilgotność bezwzględna powietrza e`, kpa. Ciśnienie cząstkowe pary wodnej zawartej w wilgotnym powietrzu; w praktyce przyjmuje się, Ŝe jest to kaŝda wielkość związana z ilością pary wodnej zawartej w powietrzu np. temperatura punktu rosy Өd (lub Td) w o C (lub K). Temperatura wilgotnego termometru naturalna (lub temperatura wilgotna naturalna) Tnw lub Өnw,, K lub o C. Wartość temperatury wskazana przez termometr pokryty wilgotną tkaniną w warunkach naturalnej wentylacji tzn. w środowisku bez wentylacji wymuszonej. Miara szybkości parowania. Temperatura poczernionej kuli Tg lub Өg, K lub o C. Wewnętrzna temperatura naturalnie wentylowanej poczernionej kuli (o średnicy 0,15 m przy emisyjności poczernionej powierzchni Ө = 0,95). Temperatura operatywna1 To lub Өo, K lub o C. Równomierna temperatura powierzchni promieniującej ciała czarnego, w którym mieszkaniec wymieniałby tą samą ilość ciepła drogą promieniowania Hr i konwekcji Hc jak w rzeczywistej niejednorodnej przestrzeni (patrz definicja Өmr z rysunku 4.1). W większości przypadków, jeśli prędkość przepływu powietrza jest niewielka (Өa <0,2 m/s) oraz jeśli róŝnica między wartościami Өmr i Өo nie przekracza 4oC moŝna z wystarczającym przybliŝeniem obliczyć wartość Өo ze wzoru: Przy wymaganiu większej dokładności [45] dla innego środowiska moŝna obliczyć Өo z wyraŝenia Өo = AӨa + (1-A) Өmr gdzie A = hc/(hc + hr) = 1/(1 + hr/hc) (gdzie hc i hr współczynniki przejmowania ciepła przez promieniowanie i konwekcję) lub załoŝyć, Ŝe Wilgotność względna powietrza Ua,, %. W temperaturze T i pod ciśnieniem p, jest to wyraŝony w procentach stosunek ciśnienia cząstkowego pary wodnej e` do ciśnienia cząstkowego pary wodnej w stanie nasycenia e`w w danej temperaturze T i przy danym ciśnieniu p [31].

7 Wielkości związane z fizjologią człowieka Temperatura efektywna zmodyfikowana ET* (lub wskaźnik ET*), K lub o C. Równomierna temperatura powierzchni promieniującej ciała doskonale czarnego, wypełnionego powietrzem o wilgotności względnej 50%, w którym mieszkaniec wymieniałby z powierzchni skóry, w jednostce czasu, taką samą całkowitą ilość ciepła Hsk jaką wymienia w rzeczywistej niejednorodnej termicznie przestrzeni. Definicję ilustruje rys W latach sześćdziesiątych badania przeprowadzone przy współudziale kilkuset ankietowanych osób doprowadziły do wyznaczania skali Temperatury Efektywnej Zmodyfikowanej ET*. Tak jak to pokazano na rys. 1.3 [31],liczbowe wartości ET* leŝą na izolinii jednakowego odczuwania ciepła przez człowieka, której kierunek wyznacza wartość ciepła traconego przez człowieka. Wartość temperatury operatywnej Өo, na wykresie psychrometrycznym, która odpowiada punktowi przecięcia izolinii ET* z krzywą 50% wilgotności względnej, została przyjęta jako temperatura izolinii (izotermy) ET*. Izolinię opisuje równanie (Өo+wimLRea) = const., wg którego wartość ET* wyznacza Өo skorygowana o iloczyn współczynnika w, przepuszczalności pary wodnej przez odzieŝ im oraz ilorazu współczynnika przejmowania ciepła drogą promieniowania hr i konwekcji hc (LR = hr/hc ).

8 Na rys. 1.3 [31, 5] pokazano współzaleŝność wskaźników ET i ET*. Obrano wilgotność względną 50%, poniewaŝ wartość ta odpowiada przeciętnym warunkom przebywania ludzi. Skala ET* zakłada następujące parametry: izolacyjność 0,6 clo, ruch powietrza 0,2 m/s, czas ekspozycji l godzina i aktywność ruchowa l met. Wskaźnik ET* ma ciągle duŝe znaczenie nie tylko teoretyczne, ale i praktyczne z uwagi na jej związek z fizjologią człowieka. Do wskaźnika ET* powrócono w 1999 r. konstruując nowy model adaptacyjny komfortu cieplnego, który uwzględniony został w nowej normie ASHRAE Standard [2]. Na rys. 1.4 [16, 5], na wykresie psychrometrycznym, pokazano izotermy ET* i izolinie współczynnika zwilŝenia skóry w [16]. Gdy pocenie termoregulacyjne wynosi zero i gdy resztkowe zwilŝenie skóry wynosi w = 0,06 linia ET* przecina strefę komfortu, która graniczy ze strefą przechłodzenia ciała człowieka. Natomiast strefę przegrzania ciała ogranicza izolinia w = l, będąca granicą pocenia termoregulacyjnego. Badania wykazały, Ŝe izolinie bicia serca (równej częstości bicia serca) [5] są w szerokim zakresie temperatury i wilgotności równoległe do izoterm ET*. Linie ET* w zakresie wyŝszych wartości stopnia zwilŝenia skóry przez pot (w) są nachylone, co wynika ze zmiany stosunku współczynników przejmowania ciepła. Natomiast w niskich temperaturach, przy niŝszych wartościach w, kierunek linii ET* jest bardziej pionowy, są one mniej zaleŝne od wilgotności (wartości ew). Strefę komfortu na rysunku 1.4 wyznaczono dla człowieka siedzącego o aktywności 1 met ubranego w odzieŝ o 0,6 clo. Metabolizm M, W m-2. Strumień cieplny wytwarzany przez człowieka w procesach utlenienia zachodzących w jego ciele (ciepło metaboliczne), odniesiony do jednostki pola powierzchni ciała. Metabolizm, który zmienia się z poziomem aktywności wyraŝany jest w jednostkach met lub w W m-2 (1 met = 58,2 W m-2). Wytwarzane przez człowieka ciepło metaboliczne odpowiada róŝnym rodzajom działania i pracy. ZaleŜy od wykonywanej pracy; dla człowieka śpiącego M = 0,8 met a dla uprawiającego sport wyczynowy wartość dochodzić moŝe do M = 10 met. Wartości metabolizmu znaleźć moŝna w normie PN-EN ISO 7730 [45], lecz moŝna je równieŝ oszacować ze wzoru:

9 Praca zewnętrzna W, W m -2. Poziom aktywności (moc mechaniczna towarzysząca pracy zewnętrznej człowieka) noszący potoczną nazwę praca zewnętrzna. Człowiek zuŝywa ciepło metaboliczne (w części) na wydatkowanie zewnętrznej siły mechanicznej, a tym samym przetwarza ciepło na moc mechaniczną, odniesioną do jednostki pola zewnętrznej powierzchni ciała. Praca zewnętrzna mierzona jest przy uŝyciu ergometru. Stosunek W/M nosi nazwę sprawności ruchowej η (mechanicznej) poruszającego się człowieka. W wielu przypadkach np. dla człowieka siedzącego lub pracującego za biurkiem wartość W = 0 i W/M = 0, ale dla człowieka pedałującego wartość η = W/M wynosi 18%. Średnia temperatura skóry Tsk lub Өsk w K lub oc. Średnia waŝona z co najmniej ośmiu wartości temperatury reprezentujących w następujący sposób udział procentowy skóry na róŝnych częściach ciała ludzkiego: głowa (7%), klatka piersiowa (17,5%), plecy (17,5%), przedramię (7%), ramię (7%), udo (19%), goleń (20%). W przypadku Өsk < 34 o C sensory zimna przesyłają do mózgu człowieka impulsy o braku komfortu. Wartości odchyleń średniej temperatury ciała człowieka od dolnej i górnej granicy przedziału, w którym występuje autoregulacja temperatury ciała człowieka drogą odparowania potu oraz efektywność tego odparowywania η ev - posłuŝyły do zdefiniowania wskaźnika doznań termicznych TSENS [5]. Stopień zwilŝenia skóry w. Ułamek pola powierzchni skóry zwilŝonej potem, charakteryzuje ciepło odparowywania potu Esk, odniesione do maksymalnego ciepła odparowywania potu z całej powierzchni skóry Emax. Wartość w oblicza się ze wzoru Wartość w wyznacza (funkcją liniową) wskaźnik dyskomfortu termicznego DISC opisany szeroko w literaturze [5, 18] oraz wskaźnik DISC(+) stosowany w badaniach wpływu rodzaju odzieŝy i przenikalności pary wodnej przez warstwę tej odzieŝy, na odczuwanie dyskomfortu cieplnego [16].

10 Wielkości związane z rodzajem odzieŝy noszonej przez człowieka Oporność cieplna (całkowita) lub izolacyjność cieplna odzieŝy Icl, clo (1clo = 0,1555 m2 o C W-1). Oporność cieplna zestawu odzieŝy, tworzącego warstwę ograniczoną przez skórę i zewnętrzną powierzchnię odzieŝy. Oporność całkowitą odzieŝy wylicza się z wartości oporności Icli dla poszczególnych części odzieŝy (wartości stabelaryzowane [45]) ze wzoru Norma ASHRAE [36, 2] podaje, Ŝe wartości oporności cieplnej dla typowego zestawu odzieŝy letniej mieszczą się w zakresie od 0,35 clo do 0,6 clo, a wartości dla typowego zestawu odzieŝy zimowej w zakresie od 0,8 clo do 1,5 clo; Oporność cieplna lub izolacyjność cieplna części garderoby Icli,,clo. Przyrost oporności cieplnej na przenikanie ciepła, spowodowany nałoŝeniem określonych części garderoby na gołe ciało (określony na podstawie wyznaczonego eksperymentalnie poziomu odczuwania zmian izolacyjności cieplnej). Stosunek pola powierzchni ciała okrytego odzieŝą do pola powierzchni ciała odkrytego fcl. Współczynnik zwiększenia powierzchni zewnętrznej ciała okrytego odzieŝą w odniesieniu do powierzchni ciała odkrytego (tych samych części ciała), zawarty między wartością 1,0 dla człowieka zupełnie bez odzieŝy, a wartością 1,5 w ubiorze polarnym.

11 Komfort cieplny Przyjmuje się, Ŝe dla danego człowieka istnieją dwa warunki komfortu cieplnego. Pierwszy zakłada, Ŝe kombinacja wartości temperatury skóry Өsk i głębokiej ciepłoty tj. temperatury Өcr ciała (ang. core temperature) zapewni odczuwanie środowiska termicznego jako neutralnego. Drugim warunkiem jest spełnienie cieplnego bilansu ciała człowieka co oznacza, Ŝe ciepło wytworzone przez metabolizm HM powinno być równe ilości ciepła oddawanej przez człowieka w róŝnych strumieniach. Model przeznaczony do predykcji komfortu cieplnego, jaki moŝna lub naleŝy uzyskać środkami technicznymi, opracowany został przez Fangera [45, 13], przy uwzględnieniu wielkości wpływających bezpośrednio na stan komfortu: W poziomu aktywności, wydatek energii mechanicznej towarzyszący pracy wykonywanej przez człowieka, W m-2; I cl oporności cieplnej odzieŝy, clo; Өa temperatury powietrza, o C; Var względnej prędkości przepływu powietrza, m/s; Өm średniej temperatury promieniowania, o C; e` ciśnienia cząstkowego pary wodnej w otaczającym powietrzu, Pa; fcl stosunku pola powierzchni ciała okrytego odzieŝą do pola powierzchni ciała odkrytego; Өcl temperatury powierzchni odzieŝy, o C; M metabolizmu w W m -2, który wyraŝony jest jako iloraz HM / AD, oznaczający ilość ciepła metabolicznego HM w odniesieniu do jednostki pola powierzchni ciała ludzkiego, AD. Wyprowadzając równanie komfortu [13] Fanger przyjął załoŝenie, Ŝe w stanie równowagi termicznej powinno być spełnione równanie bilansowe W równaniu zawarte są cztery zmienne zaleŝne od otoczenia: temperatura otoczenia Өa, średnia temperatura promieniowania Өmr, wilgotność względna powietrza Ua, (jako funkcja e` oraz Өa) oraz temperatura operatywna Өo (lub jej składowe Өmr lub Өa). Wymiary, usytuowanie człowieka i pozycja ciała oraz wymienione parametry otoczenia Өa, U, Өmr, a takŝe ruch otaczającego powietrza Өar mają wpływ na współczynniki przejmowania ciepła h (hr oraz hc). Ciśnienie barometryczne wpływa równieŝ na wartość hc. Współczynniki wymiany ciepła h oraz hc, razem z izolacyjnością odzieŝy Icl wpływają na wartość efektywności przenikania ciepła przez odzieŝ Fcl oraz Fpcl. Ponadto są w równaniu 1.6 cztery zmienne zaleŝne od fizjologii człowieka M, W, w, oraz. Rozpowszechnione twierdzenie, Ŝe na komfort cieplny ludzi wpływa jako jedyny parametr wartość temperatury Өa, bez uwzględnienia wpływu prędkości przepływu powietrza Өar i jego wilgotności względnej Өa oraz bez uwzględnienia zmiennych zaleŝnych od fizjologii nie jest uzasadnione. Fanger, w oparciu o równanie komfortu, wyprowadził wskaźniki wraŝenia cieplnego, przydatne do dokonywania oceny spełnienia warunków komfortu cieplnego dla określonych ludzi. Wskaźnik PMV (ang. predicted mean vote) przewidywana średnia ocena komfortu cieplnego wyraŝa w siedmiostopniowej skali ocen od -3 do 0 i od 0 do +3

12 Wartość wskaźnika PMV moŝna wyznaczyć, gdy znane są liczbowe oszacowania wartości W (metabolizmu), izolacyjności cieplnej odzieŝy Icl, oraz parametry środowiska termicznego: temperatura powietrza Өa i średnia temperatura promieniowania Өmr, z których wyznacza się temperaturę operatywną Ө 0 względna prędkość ruchu powietrza Өar oraz ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzue. Norma PN-ISO 7730:2002 [45] zaleca posługiwanie się wskaźnikiem PMV jedynie wówczas, gdy wartości sześciu parametrów wejściowych do obliczeń wskaźnika będą zawarte w następujących przedziałach: M = W m-2 (1 4 met), var = 0 1 m s-1 Icl = 0 0,310 m oc (0 2 clo), a = 10 30oC, mr = o C. Wskaźnik PPD (ang. predicted percentage of dissatisfied) przewidywany odsetek niezadowolonych, określa procentowy udział ludzi oceniających zdecydowanie negatywnie badane środowisko termiczne. Wskaźnik PPD moŝna obliczyć przy uŝyciu wzoru podanego w polskiej normie [10] z wartości PMV. ZaleŜność PPD od PMV pokazano na rys.1.5. Jako warunki optymalne dla uzyskania komfortu cieplnego dla pracownika przy siedzącej pracy norma PN ISO 7730:02 [45] oraz monografia [14] zaleca: utrzymywanie wskaźnika -0,5<PMV<+0,5; utrzymywanie temperatury pomieszczenia w granicach 23 do 26 o C; utrzymywanie DR<15% na poziomie szyi i barków; chłodzenie izotermicznym przepływem powietrza do 30 o C a <30 o C zimną strugą; nie przekraczanie wertykalnej róŝnicy temperatury od stóp do głowy <3 o C; nie przekraczanie asymetrii temperatury promieniowani (od okien) równej 10 o C a od ciepłego sufitu - równej 5 o C; utrzymywanie temperatury powierzchni podłogi między 19oC a 29 o C; utrzymywanie wilgotności względnej powietrza między 30 a 70%.

13 Dyskomfort cieplny Wskaźniki PMV lub PPD wyraŝają dyskomfort całego ciała, lecz moŝe on dotyczyć jednej części ciała (lokalny dyskomfort). Najczęstszą przyczyną lokalnego dyskomfortu jest przeciąg, co zauwaŝono nowelizując w 1994 r. normę ISO 7730 i uzupełniając ją o rozdział z procedurą wyznaczania wskaźnika DR (ang. draught rating), który oznacza odsetek ludzi niezadowolonych z przeciągu. Wyznaczane są wartości odsetka ludzi niezadowolonych z przeciągu DR oraz wartości średniej prędkości powietrza vdop dopuszczalnej dla wybranej kategorii komfortu. Przeciąg odczuwany jest jako lokalne chłodzenie ciała przez ruch powietrza i temperaturę Өa. Ocenę przeciągu wyraŝa przewidywany odsetek ludzi niezadowolonych z przeciągu oznaczany symbolem DR (draught rating lub risk) [45]. Wskaźnik oblicza się z równania: Ryzyko przeciągu jest dla ludzi odczuwających ciepło mniejsze, a dla ludzi odczuwających chłód większe niŝ dla ludzi odczuwających komfort. Intensywność turbulencji moŝe zmieniać się między 50 a 60% w przestrzeni wentylowanej w zwykły sposób. W przestrzeni nie wentylowanej intensywność turbulencji jest niŝsza. Rysunek 1.6 ilustruje zaleŝność odsetka niezadowolonych z przeciągu DR od wartości średniej prędkości przepływu va i turbulencji Tu [45, 42, 31]. Choć graniczne wartości temperatury operatywnej ograniczające strefy komfortu (patrz rozdz ) wyznaczono przy przyjęciu prędkości powietrza równej 0,20 m/s, to badania [3, 7] wykazały, Ŝe większa prędkość powietrza moŝe przy wzroście temperatury podwyŝszyć stopień komfortu.

14 Na rysunku 1.7 pokazano, jaki (wg norm ASHRAE Standard [3] oraz ASHRAE Standard [2]) przyrost prędkości powietrza moŝe zrównowaŝyć wzrost temperatury, jeśli przekroczy ona górną granicę danej strefy komfortu dla okresu letniego. Badania eksperymentalne wykonane w ramach programu ASHRAE RP-1161 [7] opublikowane w 2004 r. wykazały dokładniej, jakie prędkości powietrza (wytworzone np. przy uŝyciu wiatraków) chcieliby mieć w rzeczywistości uŝytkownicy pomieszczeń dla zrównowaŝenia efektu wzrostu temperatury. Na rysunku 1.7 [7] pokazano wyniki badań (program ASHRAE RP ), jakie prędkości powietrza są konieczne dla zrównowaŝenia wzrostu temperatury, na tle prędkości zalecanych przez ASHRAE 55 w roku 1992 oraz 2004 (linie ciągłe). Prędkości podmuchów przyjmowane przez człowieka z akceptacją i z sygnalizowaniem niedostatku powietrza sięgają wartości 0,5 m/s. Ponadto ASHRAE 55 z roku 2004 zaleca równowaŝenie wzrostu temperatury podmuchem juŝ od 24,5 o C (a nie dopiero od 26 o C). Wzajemny wpływ poszczególnych elementów składających się na środowisko wewnętrzne i klimat wewnętrzny, został szczegółowo przeanalizowany w programach ASHRAE PR-883 oraz PR-1161 [7]. Wyniki analiz i symulacji skutków wprowadzania zmian poszczególnych elementów środowiska wewnętrznego wykazują, Ŝe wprowadzanie zmian jednych elementów bez oglądania się na inne moŝe zniweczyć efekt polepszenia mikroklimatu. Wyniki badań na poparcie tej tezy opisano w dokumencie normatywnym ASHRAE Guideline 10 [6]. Na przykład, podwyŝszenie temperatury w pomieszczeniu powodować moŝe wzrost emisji VOC (lotnych związków organicznych), większa prędkość powietrza zwiększa odparowanie lotnych, a nawet mało lotnych chemikaliów z eksponowanych powierzchni i zmienia stęŝenie pyłów nad powierzchnią. RównieŜ zmiana wilgotności powietrza, nie tylko zmienia stęŝenia rozpuszczalnych w wodzie chemikaliów i biologicznych aerozoli ale zmienia teŝ odczuwaną jakość powietrza (ang. perceived indoor air quality). O trudności przewidywania poziomu odczuwania zmiany jednego z parametrów mikroklimatu przez człowieka, gdy zajmuje się on róŝnymi czynnościami (róŝny metabolizm) świadczą inne badania [9]. Na rysunku 1.8 pokazano wielokrotnie publikowany [9, 6] wykres, ilustrujący jak ze wzrostem wilgotności (w tej samej temperaturze otoczenia) rośnie akceptacja odczuwanej jakości powietrza wewnętrznego IAQ przez ludzi o róŝnym metabolizmie (siedzących i stojących).

15 Zmiana temperatury powietrza o 1 o C daje ten sam efekt zmiany odczuwania jakości powietrza co zmiana temperatury punktu rosy o 3,36 o C. Inne zjawiska powodujące dyskomfort lokalny to: pionowe róŝnice temperatury powietrza, zimne lub ciepłe podłogi lub asymetria temperatury promieniowania spowodowana na przykład odbiegającą od otoczenia temperaturą sufitu. Przy większej aktywności ludzie mniej odczuwają wraŝenia cieplne i w konsekwencji ryzyko lokalnego dyskomfortu jest mniejsze Kryteria doboru parametrów klimatu wewnętrznego W roku 1998 grono specjalistów opracowało dla europejskiej organizacji normalizacyjnej raport CEN CR 1752 [50] z wytycznymi dla projektantów środowiska wewnętrznego, w którym zamieszczono tablicę 1.3. Podstawowym postanowieniem, dla ludzi przebywających w środowiskach termicznych umiarkowanych, był podział tego środowiska wg zakresów komfortu cieplnego na trzy kategorie A, B oraz C klasyfikujące jakość środowiska wewnętrznego. Raport podał równieŝ zalecane wartości temperatury operatywnej (patrz tabl. 1.5) dla trzech kategorii komfortu, oszacowane dla pomieszczeń róŝnego przeznaczenia. Dane te weszły obecnie do norm europejskich [48, 40] i centra naukowe podają je jako aktualnie obowiązujące [34]. KaŜdej z kategorii środowiska termicznego przypisano maksymalny odsetek niezadowolonych z wraŝeń cieplnych odbieranych przez całe ciało (PPD) oraz maksymalny odsetek niezadowolonych z lokalnego dyskomfortu np. DR. Dla utrzymania środowiska w danej kategorii A, B lub C i nie przekroczenia wartości granicznych dyskomfortu wg tablicy 1.3, dobiera się takie wartości parametrów fizycznych powiązanych z komfortem całego ciała lub dyskomfortem, które gwarantują utrzymanie danej kategorii.

16 Od roku 2004 obowiązuje (początkowo jako uznaniowa) norma PN-EN [40] nt. instalacji ogrzewczych w budynkach i metod obliczania zapotrzebowania na moc cieplną przy projektowaniu tych instalacji. Norma w załączniku nt. warunków cieplnych podaje tablica: z kategoriami komfortu A, B oraz C i z wartościami temperatur operatywnych, dane pochodzą z raportu CEN CR 1752 (patrz tabl.1.5). JednakŜe w kraju, do czasu wprowadzenia zmian lub powołań na normę PN-EN [40], obowiązuje norma PN 78/B [37], ustalająca parametry obliczeniowe do obliczania zapotrzebowania mocy cieplnej w pomieszczeniach wentylowanych i klimatyzowanych, które znaleźć moŝna tablicy 1.4. Podano w niej obliczeniowe wartości wilgotności i temperatury powietrza wewnątrz pomieszczeń wentylowanych/klimatyzowanych, w których przebywają i pracują ludzie przy załoŝeniu trzech poziomów aktywności fizycznej, tj. aktywności małej 200 W(~1,6 met), średniej 200 do 300 W (1,6-3 met) i duŝej >300 W (~3met). Odpowiedzi na pytanie jaki zakres PMV obejmuje polska norma [37] dostarczają obliczenia wykonane na Politechnice Krakowskiej przez zespół Müller, Skrzyniowska i Wojtas [35]. W oparciu o normę uznaniową PN-EN ISO 7730:2002U [45] obliczono jaki byłby wykres przestrzenny wartości PMV jako funkcji PMV = f(өa, Өmr) w zakresie Өa i va podanym [37] dla małej aktywności fizycznej (w okresie letnim) i w zakresie Өmr równym o C. Do

17 obliczeń przyjęto met = 58 W/m2 W = 0 W/m2 i Icl = 0,03 clo. Wykres pokazano na rysunku Jak widać zakres PMV, dla przyjętego do symulacji (nie ujętego normą) zakresu temperatury promieniowania Өmr, przekracza nawet przedział -0,7 <PMV< + 0,7, który wg raportu CEN [50] przypisano do kategorii komfortu C. Autorzy [35] zalecają stosowanie tego typu symulacji do wyznaczania optymalnej temperatury powietrza Өa, utrzymującej wartość PMV (przypisaną do danej kategorii klimatu wewnętrznego A, B lub C z tabl. 1.3) przy załoŝeniu zakresu średniej temperatury promieniowania Өmr. W latach ugruntowało się przekonanie, Ŝe zuŝycie energii w budynku zaleŝy nie tylko od projektu budynku i działania jego instalacji lecz takŝe, a moŝe i bardziej, od zastosowanych kryteriów (wartości parametrów i metod kontroli) środowiska wewnętrznego (temperatury, intensywności wentylacji i oświetlenia). Ostatnie badania wykazały, Ŝe koszty pogarszania się środowiska wewnętrznego są dla uŝytkowników i właścicieli budynku często wyŝsze niŝ energia zuŝywana w budynku. Uchwalenie w 2002 roku dyrektywy europejskiej 2002/91/EC o jakości energetycznej budynków pociąga za sobą potrzebę opracowania szeregu norm powiązanych z dyrektywą i umoŝliwiających jej wdroŝenie. Projekt normy z kryteriami doboru parametrów środowiska wewnętrznego pren 15251:2005 [48] naleŝy do najwaŝniejszych, poniewaŝ jak podano we wstępie projektu, będzie ona stanowić wejście do opracowania innych norm. Polskie prace nad wdroŝeniem dyrektywy EPBD z systemem dokumentów normatywnych koordynuje Ministerstwo Infrastruktury [52]. Ustalone w projekcie normy EN [48] z 2005 r. energooszczędne kryteria dla środowiska wewnętrznego powinny być wykorzystywane przy wymiarowaniu systemu instalacji, lecz przede wszystkim przy doborze parametrów wejściowych do obliczeń projektowych budynku. Norma podaje (patrz tablice 1.3 oraz 1.5) jakie ograniczenia powinny być zachowane, aby budynek znalazł się w odpowiedniej kategorii środowiska wewnętrznego, a jednocześnie był energooszczędny. Celem opracowania normy EN było korzystanie z niej na róŝnych etapach budowy i eksploatacji budynku, a takŝe przy jego inspekcjach i certyfikacji energetycznej. Na etapie projektu budynku i systemu HVAC, kryteria dla środowiska wewnętrznego wykorzystywane będą jako dane wejściowe obliczeń energetycznych budynku i przy wymiarowaniu jego urządzeń. Z podanych w projekcie intensywności wentylacji naleŝy korzystać przy wymiarowaniu systemu wentylacji. Na etapie obliczeń zapotrzebowania na

18 energię jaką zuŝywać ma budynek, korzystać naleŝy z danych z normy EN przy ustalaniu danych wejściowych. Na etapie odbioru budynku do ustalania parametrów mikroklimatu i innych elementów środowiska wewnętrznego, tak aby zachowane były współczynniki (ang. climatic factors) stosowane w rocznych ocenach zuŝycia energii i wymagane w certyfikatach energetycznych. Na etapie eksploatacji budynku do ustalania metod wykonywania pomiarów środowiska wewnętrznego i działania systemu HVAC lub systemu klimatyzacji (wymaganych przy inspekcji energetycznej). Na etapie certyfikacji energetycznej budynku do klasyfikacji środowiska wewnętrznego. Pierwszym krokiem do energooszczędności budynku jest podział środowiska termicznego na kategorie. NaleŜy pamiętać, Ŝe po raz pierwszy podział pomieszczeń na kategorie środowiska termicznego A, B oraz C (patrz tabl.1.3) wg zakresów wartości wskaźników komfortu PMV, lecz równieŝ z intencją kategoryzacji zapotrzebowania na moc cieplną do ogrzewania lub chłodzenia budynku wprowadził w 1998 r. raport CEN CR 1752 [50] z kryteriami dla środowiska wewnętrznego w budynkach wentylowanych. Raport ten oparty był na wynikach badań ankietowych i laboratoryjnych P.O. Fangera wykonywanych w Danii w latach [13, 14]. JuŜ w 2004 r. ukazały się dwie normy energooszczędne. Do normy PN-EN 12831:2004 (U): Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metody obliczania zapotrzebowania na moc cieplną [40] przeniesiono z raportu CEN CR 1752 tablicę z podziałem środowiska na kategorie A, B, oraz C, jednakŝe bez uwzględnienia informacji o dyskomforcie lokalnym, co świadczy o nie uwzględnianiu przez normę [40] moŝliwości likwidacji dyskomfortu lokalnego przez ogrzewanie. W normie tej podano teŝ wzięte z raportu CEN CR 1752 zakresy temperatury operatywnej dla zimy dla pomieszczeń róŝnego przeznaczenia. W tym samym roku ukazała się norma PN-EN 12828:2004 [39] nt. projektowania instalacji centralnego ogrzewania, w której przywołano ustalenia z normy PN-EN ISO 7730:2002 dotyczące dozwolonej, w warunkach komfortu cieplnego, asymetrii promieniowania i wahań temperatury operatywnej w przestrzeni pomieszczenia tak małych by nie sprzyjały przeciągom. W oparciu o warunki zawarte w normie PN-EN 7730:2002 podano w Załączniku B do normy PN-EN 12828:2004, sposób wyznaczania dla ścian lub okien pomieszczenia najmniejszej wartości obliczeniowej współczynnika przenikania ciepła. Jeszcze bardziej energooszczędny jest projekt normy EN [48] z maja 2005 r., w którym podano wprawdzie wartości temperatury operatywnej, zalecane do przyjmowania dla pomieszczeń o róŝnym przeznaczeniu, wzorowane na raporcie CEN CR 1752:1998 [50], ale na granicy górnej w lecie i na granicy dolnej (chłodniejszej) w zimie. W projekcie pren zamieszczono teŝ nie zmienioną w stosunku do oryginału [50] tablicę, z podziałem klimatu wewnętrznego na kategorie A, B oraz C wg wartości wskaźnika PMV (komfortu całego ciała) i wskaźników dyskomfortu cieplnego lokalnego (tablica 1.3). W tablicy 1.5 zestawiono, dla pomieszczeń róŝnego rodzaju, zalecane wartości temperatury operatywnej z raportu CEN CR 1752 [50] z 1998 r., zalecane wartości dla tych samych pomieszczeń z normy nt. metod obliczania zapotrzebowania mocy PN-EN 12831:2004 (U) [40] oraz zalecane wartości temperatury operatywnej (dostosowane do wymagań Dyrektywy EC/91/2002) z projektu normy EN 15251:2005 [48]. Jak widać w kilku przypadkach wartości temperatury operatywnej zalecane w nowym projekcie normy EN 15251, są w porównaniu z danymi z raportu CEN CR 1752 niŝsze dla zimy, a wyŝsze dla sezonu letniego a zatem, proponowane w projekcie normy wartości temperatury operatywnej są w chwili obecnej najbardziej energooszczędne. Omawiany projekt normy obejmuje jeszcze kościoły i muzea, a ponadto łazienki.

19 Z dyrektywą EPBD związane są, oprócz norm związanych z energooszczędnym ogrzewaniem, równieŝ normy dotyczące energooszczędnej wentylacji, jak pren 15243:2005 dotyczący obliczania temperatury w pomieszczenia i zuŝycia energii w klimatyzowanych budynkach [47]. Warto zauwaŝyć, Ŝe normy europejskie nie są dotąd całkowicie zharmonizowane, poniewaŝ inna norma PN-EN 13779:2005 [41] z wymaganiami dla pomieszczeń wentylowanych i

20 klimatyzowanych podaje jako obliczeniowe wartości temperatury operatywnej jedynie dwie wartości: (1) dla zimy Өo = 20 do 24 o C, (2) dla lata Өo = 23 do 26 o C. Wartości temperatury operatywnej zalecane w projekcie normy EN 15251:2005 leŝą niekiedy poza zakresami zalecanymi w normie PN-EN 13779:2005, dopuszczając chłodniejsze pomieszczenia w zimie i cieplejsze w lecie. Energooszczędne podejście cechuje równieŝ załącznik C.2 do projektu normy EN 15251:2005 [48], w którym podano przykładowe generowanie wilgoci w budynkach mieszkalnych. Na przykład, wg projektu normy [48] czynność kąpieli pod prysznicem powinna generować 0,2 kg wody dla jednej osoby na dzień. Natomiast analiza nawilŝania budynku dokonana przez Straubego [55] i opublikowana w ASHRAE Journal 2002 wykazała, Ŝe średnia wartość masy generowanej wilgoci nawilŝającej budynek podczas kąpieli pod prysznicem branym przez mieszkańca, wynosi 0,5 kg wody w przeliczeniu na jedną osobę na dzień. Elementem na jaki nowy projekt normy EN15251 kładzie większy nacisk, niŝ miało to miejsce dotychczas w podstawowych dokumentach (tj. normie ISO 7730, raporcie CEN CR 1752 oraz projekcie normy PN-EN 13779:2005), jest odczuwana jakość powietrza wewnętrznego IAQ. W rozdziale o nawilŝaniu dla polepszenia jakości powietrza, zwrócono uwagę na znaczenie wartości granicznych wilgotności względnych powietrza, przy przekroczeniu których pogarsza się IAQ. Zjawisku temu przeciwdziałać ma w budynkach specjalnego przeznaczenia np. muzeach, szpitalach, uruchamianie systemu osuszania (powyŝej obliczeniowej wilgotności granicznej) lub nawilŝania (poniŝej obliczeniowej wilgotności granicznej). Podane w pkt. 6.4 projektu normy EN obliczeniowe wartości graniczne wilgotności, przyporządkowane kategoriom komfortu cieplnego A, B oraz C - zestawiono w tablicy 1.6 z wartościami zalecanymi w raporcie CEN CR Z zestawienia danych z raportu CEN CR 1752 [50] oraz z projektu normy pren [48] wynika, Ŝe wartości graniczne wilgotności względnej w projekcie normy [48] są w stosunku do danych z raportu [50] bardziej energooszczędne jedynie przy dowilŝaniu pomieszczenia kategorii C. Z opisu aktualnego stanu akt normatywnych z wytycznymi projektowania klimatu wewnętrznego wynika, Ŝe wnioski zawarte w raporcie CEN CR 1752 są systematycznie wdraŝane do norm zharmonizowanych i stanowi w tej dziedzinie dokument podstawowy. Szkoda zatem, Ŝe Raport CEN CR 1752 zawierający naukowe uzasadnienie przyjęcia określonych kryteriów oceny środowiska wewnętrznego, nie został zakwalifikowany (patrz analiza uregulowań prawnych i normatywnych [23]) przez PKN do wydania i urzędowego upowszechnienia w Polsce.