Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 64 Politechniki Wrocławskiej Nr 64 Studia i Materiały Nr 30 2010 Krzysztof PODLEJSKI*, Damian SZYDŁOWSKI LabVIEW, komfort cieplny ZASTOSOWANIE LabVIEW DO OCENY KOMFORTU TERMICZNEGO Celem prowadzonych prac jest wykorzystanie właściwości LabVIEW do budowy przyrządów stosowanych w ocenie mikroklimatu i komfortu termicznego. Napisany program umożliwia wprowadzenie wszystkich danych pomiarowych i parametrów dodatkowych określonych w obowiązujących przepisach. Na tej podstawie są obliczane wskaźniki PMV (przewidywana ocena średnia) i PPD (przewidywany procent niezadowolonych). Wskaźnik PMV jest obliczany z równania a wskaźnik PPD z równania lub z wykresu. Program kontroluje poprawność wprowadzanych danych oraz sygnalizuje nieprawidłowe wartości wskaźników PMV i PPD. Wszystkie dane i wyniki obliczeń są prezentowane tabelarycznie. Wyniki z tabel umożliwiają automatyczne tworzenie wykresów czasowych i PPD = f(pmv). Zaletą programu jest zwarta i prosta budowa. Przeprowadzone badania symulacyjne potwierdziły poprawność działania programu. Uzyskane wyniki można wykorzystać do wykonania przyrządu z kartą DAQ klasyczną, bezprzewodową, włączoną do sieci LAN lub do Internetu. 1. WPROWADZENIE W warunkach komfortu cieplnego (termicznego) równanie bilansu cieplnego człowieka [2] przyjmuje wartość zerową. Równanie określa związek między akumulacją ciepła przez człowieka a jego metaboliczną produkcją, sprawnością ruchową, stratami ciepła i jego wymianą z otoczeniem. Zachwianie stanu równowagi termicznej może prowadzić do zmian w układzie krążenia, ośrodkowego układu nerwowego, zaburzeń gospodarki wodno-elektrolitycznej człowieka. Na komfort cieplny wpływ mają czynniki środowiskowe (temperatura, prędkość i wilgotność powietrza oraz temperatura promieniowania powierzchni) i indywidualne (metabolizm człowieka, izolacyjność cieplna odzieży). Ocena komfortu cieplnego jest przedmiotem wielu badań w aspekcie analizy mikroklimatu różnych pomieszczeń [3, 5, 7, 8, 10]. W ocenie wykorzystuje się metody doświadczalne, ankietowe (związane z odczuciami cieplnymi użytkowników) i progra- * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 50-370 Wrocław, krzysztof.podlejski@pwr.wroc.pl
545 mowe oparte o opisane w literaturze modele i algorytmy [4]. Ciekawy model komfortu cieplnego w systemie regulacji mikroklimatu przedstawiono w [6]. Analityczne wyznaczanie komfortu cieplnego określone jest odpowiednimi przepisami [9], które wyznaczają warunki stosowania oceny. Podstawowymi czynnikami stosowanymi do oceny są: przewidywana ocena średnia (PMV Predicted Mean Vote) i przewidywany odsetek niezadowolonych (PPD Predicted Percentage of Dissatisfied). Szerokie badania komfortu cieplnego i mikroklimatu prowadzone są przez wiele instytucji, które wykorzystują odpowiednie przyrządy pomiarowe i specjalizowane oprogramowanie (dostępne są także w internecie programy do obliczeń PMV i PPD). Celem prowadzonych prac jest zastosowanie LabVIEW [1, 11, 12] do oceny komfortu cieplnego za pomocą wskaźników PMV i PPD. Środowisko to dostarcza narzędzi do akwizycji danych pomiarowych (poprzez karty pomiarowe lub symulacyjnie), umożliwia prowadzenie różnorakich obliczeń, tabelaryzowanie danych, wizualizacje wyników, procedur i procesów. W pierwszej fazie prac utworzono program do oceny komfortu cieplnego i sprawdzono jego poprawność działania symulacyjnie. 2. WYMAGANIA NORMATYWNE Do oceny komfortu cieplnego przyjęto wymagania zawarte w normie [9], która dotyczy umiarkowanych warunków mikroklimatycznych, odpowiadających pomieszczeniom zamkniętym z systemami ogrzewania oraz opcjonalnej wentylacji. Norma określa przedziały wartości mierzonych wielkości fizycznych w pomieszczeniu: i definiuje dodatkowe parametry konieczne do obliczenia wskaźników PMV i PPD. PMV = 0,42 10 8 f [ 0,303 exp( 0,036 M ) + 0,028] { ( M W ) 3,05* [ 5733 6,99 * ( M W ) pa ] 5 [( M W ) 58,15] 1,7 10 M (5867 p ) 0,0014 M (34 t ) 3,96 4 4 [( t + 273) ( t + 273) ] f h ( t t ) } r gdzie: M metabolizm użytkownika, W praca zewnętrzna, I oporność cieplna odzieży, f stosunek pola powierzchni ciała okrytego odzieżą do powierzchni ciała odkrytego, t a temperatura powietrza, t r średnia temperatura promieniowania, v ar prędkość przepływu powietrza, p a ciśnienie cząstkowe pary wodnej, h c współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję, t temperatura powierzchni odzieży. W powyższym równaniu należy iteracyjnie obliczyć t, warunkową wartość f oraz h c = f(t, t a, v ar ). c a 4 2 ( 0,03353PMV 0,2179 ) PPD = 100 95 exp PMV a a (1) (2)
546 Obliczona wartość PMV jest porównywana z 7 stopniową psychofizyczną skalą wrażeń cieplnych. Środowisko komfortowe zawiera się w przedziale: 0, 5 < PMV < +0, 5 (90% ankietowanych uważa środowisko za komfortowe). 3. PROGRAM Podstawowa część programu umożliwia wprowadzanie niezbędnych danych pomiarowych i parametrycznych (równanie 1) oraz przeliczanie odpowiednich wzorów i jednostek. Przykładem jest parametr f podawany w jednostkach [o] a w obliczeniach, w jednostkach [m 2 K/W] a także konieczność przeliczania wilgotności względnej powietrza na ciśnienie pary wodnej. Specjalnej procedury iteracyjnej wymaga obliczenie parametru t. Do zbudowania programu wykorzystano wiele struktur, np. Case Structure, While Loop, Build Array, Formula Node, Write To Spreadsheet, Array Subset, Time Delay. Po wykonaniu obliczeń wszystkie dane są zapisywane do pliku i wyświetlane na panelu czołowym (rys. 1). Pomiary są wykonywane w zadawanych odstępach czasowych. Liczba serii pomiarów (próbek) jest ograniczona jedynie pojemnością pamięci i wpływa na szybkość wykonywania programu. Na panelu czołowym sygnalizowane są nieprawidłowe stany danych (wykraczające poza zakresy określone w normie). Rys. 1. Panel czołowy Fig. 1. Front panel
547 Dane tabelaryczne umożliwiają tworzenie wykresów czasowych i zależności PPD = f(pmv). Na podstawie obliczonej wartości PMV wskazywane jest odniesienie do 7 stopniowej psychofizycznej skali wrażeń cieplnych (wykres słupkowy). W celu poprawienia czytelności do opisu tabeli wykorzystano duże litery (ten zabieg jest stosowany też w innych specjalizowanych programach). 4. WYNIKI Poprawność działania programu została zweryfikowana badaniami symulacyjnymi. Na podstawie wielu wprowadzanych danych w panelu czołowym program wygenerował wykres podstawowy zależności PPD = f(pmv) pokazany na rysunku 2. Wykres odpowiada wynikom badań podstawowych zamieszczonych w [2] (różnica kształtu wynika z innego skalowania osi PPD). Przeprowadzono także badania w ograniczonym zakresie zmian danych wejściowych, co odpowiada generowaniu wykresów będących fragmentami wykresu z rysunku 2. Rys. 2. Wykres PPD = f(pmv) Fig. 2. Graph PPD = f(pmv)
548 Dane pomiarowe wielkości wejściowych pobrane zostały z pliku. Niepewność wyniku pomiaru realizowanego za pomocą przyrządu wirtualnego zależy od części sprzętowej i od efektywności algorytmów stosowanych do obliczeń (oprogramowanie). Składowa niepewności wynikająca z algorytmu numerycznego (równanie pomiarowe 1) wynosi 0,007%, i zależy od liczby danych oraz dokładności obliczeń iteracyjnych. Do oszacowania niepewności pomiaru u B (PMV) pochodzącej od części sprzętowej przyjęto parametry charakterystyczne dla czujnika KTY81, termohigrometru LB706 i anemometru sferycznego HT412. Za pomocą przygotowanego oprogramowania obliczono współczynniki wrażliwości:,, i niepewność u B (PMV) PMV PMV PMV t a 0,67%. Uzyskane rezultaty wskazują na dominującą składową niepewności z części sprzętowej systemu pomiarowego p a v ar 5. PODSUMOWANIE Opisane oprogramowanie może zostać wykorzystane do budowy rzeczywistego systemu pomiarowego po zastosowaniu odpowiedniej karty pomiarowej współpracującej z czujnikami pomiarowymi. Wstępnie przystosowano program do współpracy z kartą pomiarową USB 6009 o stałej niepewności typu B równej 14,7 mv, niezależnej od parametrów badanego sygnału. Aktualnie program jest narzędziem obliczeniowym umożliwiającym badanie i dokumentowanie skuteczności przyjętego rozwiązania instalacji HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning). Modelowanie środowiska HVAC, jego kontrola i sterowanie jest realizowane za pomocą LabVIEW [12]. Uzupełnienie stosowanych w tym zakresie rozwiązań o ocenę komfortu cieplnego umożliwia poszerzenie wiedzy o mikroklimacie strefy przebywania ludzi i energochłonności obiektów. Opisane oprogramowanie zostanie rozszerzone o obliczenia niepewności wyników pomiaru. Przeprowadzone doświadczenia wskazują na potrzebę wprowadzenia uzupełnień w programie o biblioteki zawierające wartości izolacyjności różnych zestawów odzieży i metabolizmu. LITERATURA [1] CHRUŚCIEL M., LabVIEW w praktyce, Wydawnictwo BTC, 2008. [2] FANGER P.O., Komfort cieplny, Wydawnictwo Arkady, 1974. [3] FERGUS N., PARSANS K., Special issue on thermal comfort standards, Energy and Buildings, 34 (2002), No. 6, 529 532. [4] FOUNTAIN M., HUIZENGA C., A Thermal Sensation Prediction Software Tool for Use by the Proffesion, ASHARE Transactions, Vol. 103 (1997), pt. 2, 130 136. [5] KABZA Z., KOSTYRKO K., ZATOR S., ŁOBZOWSKI A., SZKOLNIKOWSKI W., Regulacja mikroklimatu pomieszczenia, Agencja Wydawnicza PAK, 2005.
549 [6] LASKA M., Procedura tworzenia rozwiązania numerycznego do analizy mikroklimatu obiektów. Praca doktorska, Politechnika Wrocławska, 2008. [7] MELHADO M.A., BEYER P.O., HENSEN J.M., SIQUIERA L.F.G., The thermal comfort, the indoor environment control and the energy consumption in three types of operating rooms, Ninth International IBPSA Conference, (2005), 747 752. [8] NIEKRAWIEC D., Znaczenie komfortu cieplnego oraz jego badania w salach audytoryjnych na przykładzie sali koncertowej Filharmonii Opolskiej, Przegląd Elektrotechniczny, 83 (2007), nr 2, 122 126. [9] PN-EN ISO 7730:2006(U), Ergonomia. Środowisko termicznie umiarkowane. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego. [10] STROM-TEJSEN P., ŻUKOWSKA D., JANNA A., WYON D.P., Assessment of the thermal environment in a simulated aircraft cabin using thermal manikin exposure, International Conference on Air Distribution in Rooms, (2007), Vol. 1, 227 235. [11] TŁACZAŁA W., Komputerowa technika pomiarowa. Oprogramowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych, Agencja Wydawnicza PAK, 2002. [12] www.ni.com LabVIEW APPLICATION FOR ASSESSING THE THERMAL COMFORT The aim of the research is to utilize the properties of LabVIEW environment in order to build instruments for the evaluation of the microimate and thermal comfort. The designed programme allows entering relevant measurement data and additional parameters specified in the applicable legislation. On this basis, the PMV (Predicted Mean Vote) and PPD (Predicted Percentage Dissatisfied) indices are determined. The PMV index can be calculated from an equation, while the PPD index from an equation or a graph. The programme monitors the accuracy of input data and signals any abnormal values of PMV and PPD indices. All data and calculation results are presented in a tabular manner. Those results make it possible to automatically create time and PPD = f(pmv) graphs. The programme s advantage is a compact and simple design, and its correct functioning was confirmed by simulation studies. The obtained results can be used to construct an instrument with assic, wireless, LAN or Internet DAQ.