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: a.raczkowski@wis.pol.lublin.pl 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 PMV e 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 PMV e 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 +/- 0,1 o C, wilgotności względnej +/-2%.
201 0 1 2 5 6 7 8 3 4 9 10 11 12 13 14 15 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 90- minutowych 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 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. a) zaledwie akceptowalne nieakceptowalne zaledwie nieakceptowalne akceptowalne b) zimno chłodno lekko chłodno obojętnie lekko ciepło ciepło gorąco c) bardzo suche suche lekko suche normalne lekko wilgotne wilgotne 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 18,9 o C do 25,4 o C. 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 o C co odpowiada zmianie entalpii od 32,8kJ/kg do 37,3kJ/kg. Przy temperaturze około 25 o C, 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 PMV p, w pomieszczeniach wentylowanych naturalnie, naleŝałoby wykorzystać następującą zaleŝność: PMV p = 1,98 PMV+1,77 (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 obliczony wskaźnik PMV p jest zgodny z oceną odczuć cielnych uzyskaną na podstawie ankiet. LITERATURA ASHRAE Standard 62, 2007, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. 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, 732-743. 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.