TOPLOTNO OKOLJE IN UGODJE V PROSTORU II

Transcription

1 TOPLOTNO OKOLJE IN UGODJE V PROSTORU II LOKALNO NEUGODJE (SIST EN ISO 7730:006 Ergonomija toplotnega okolja Analitično ugotavljanje in interpretacija toplotnega ugodja z izračunom indeksov PMV in PPD ter merili za lokalno toplotno ugodje) Predloga laboratorijske vaje Laboratorij za ogrevalno, sanitarno in solarno tehniko ter klimatizacijo doc. dr. Matjaž Prek Ljubljana, 03

2 TOPLOTNO OKOLJE IN UGODJE V PROSTORU LOKALNO NEUGODJE Integralno vrednotenje toplotnega okolja upošteva telo kot celoto in zato tudi PMV in PPD vrednosti veljata za celo telo. Pomanjkljivost integralnega modela človeka je v tem, da ne more upoštevati lokalnega vpliva prenosa toplote na toplotno ugodje oz. neugodje. Toplotno neugodje pa je lahko tudi posledica neželenega segrevanja ali ohlajanja določenega dela telesa, kar označujemo kot lokalno neugodje. Zato je v standardu SIST EN ISO 7730:006 določena metodologija s katero ugotavljamo vpliv lokalnih fizikalnih parametrov. Ker integralni model človeka temelji na povprečnih vrednostih fizikalnih parametrov na mestu težišča človeka, se lahko človek počuti neugodno, če je del telesa izpostavljen vplivu okolja, ki bistveno odstopa od povprečne vrednosti. V tem primeru govorimo o lokalnem neugodju, ki je lahko posledica: o občutka prepiha (DR Draught rate), o gradienta temperature zraka po višini (PD Percentage of Dissatisfied), o asimetrije toplotnega sevanja (PD Percentage of Dissatisfied), o neugodne temperature tal (PD Percentage of Dissatisfied). Standard SIST EN ISO 7730:006 določa poleg integralne ocene toplotnega ugodja tudi vpliv parametrov, ki določajo občutek lokalnega neugodja. Kategorija toplotnega okolja V standardu SIST EN ISO 7730:006 Ergonomija toplotnega okolja Analitično ugotavljanje in interpretacija toplotnega ugodja z izračunom indeksov PMV in PPD ter merili za lokalno toplotno udobje so predlagani naslednji kriteriji za razvrstitev v kategorije: kategorija integralno stanje lokalno neugodje PPD a povprečna presoja PMV zaradi prepiha zaradi temperaturne razlike zaradi toplih ali hladnih tal zaradi asimetrije sevalne temperature % - % % % % A < 6-0,<PMV<+0, < 5 < 3 < 0 < 5 B < 0-0,5<PMV<+0,5 < 0 < 5 < 0 < 5 C < 5-0,7<PMV<+0,7 <5 < 0 < 5 < 0 Stran / 6

3 Podobno je določeno v Pravilniku o prezračevanju in klimatizaciji stavb (Ur.l. RS 4/00). Poglavje. (Toplotno okolje): 3. člen () Gibanje zraka v prostoru je pri optimalni občuteni temperaturi dopustno, če je odstotek uporabnikov prostora manjši od 5 % - po metodologiji iz standarda SIST CR 75, točka A () Dopustne srednje hitrosti zraka v bivalni coni so podane v SIST CR 75, slika A.3, kategorija C, v odvisnosti od lokalne temperature zraka v prostoru in intenzitete turbulence. Območje sprejemljivosti srednje hitrosti zraka pri normalnih pogojih predstavlja območje pod ustrezno krivuljo intenzitete turbulence. (3) Hitrosti zraka v bivalni coni pri temperaturi zraka prostora, kot je določena s prejšnjim členom, tveganju prepiha 5 % in intenziteti turbulence 40 % se načrtujejo skladno s tabelo 4 pod točko. Načrtovana hitrost zraka v prilogi tega pravilnika. Hitrosti zraka ne smejo biti presežene pri normalnem delovanju sistema, presežene so lahko samo pri časovno omejenem intenzivnem prezračevanju. 4. člen: () Parametri za toplotno ugodje sedeče osebe v bivalni coni so naslednji:. temperatura zraka: v času brez ogrevanja med ºC in 6 ºC, priporočljivo 3 ºC do 5 ºC, v času ogrevanja med 9 ºC in 4 ºC, priporočljivo 0 ºC do ºC;. navpična temperaturna razlika zraka med glavo in gležnji za sedečo osebo (med 0, m in, m nad podom) manjša od 3 K, v vseh drugih primerih manjša od 4 K; 3. površinska temperatura poda med 7 ºC in 6 ºC, pri sistemu talnega ogrevanja do 9 ºC (izjemi sta prostori z nestalno prisotnostjo in prostori s posebno namembnostjo); 4. pod oziroma talna obloga poda zaradi svojega neposrednega oziroma posrednega vpliva ne sme onesnaževati zraka v prostoru in ne sme vplivati na ugodje in zdravje uporabnikov prostorov; 5. največja sevalna temperaturna asimetrija: za hladno steno < 3 ºC, za toplo steno < 35 ºC, za hladen strop < 8 ºC, za topel strop < 7 ºC. Z oblikovanjem stavbe in senčili je treba v času hlajenja preprečiti vpliv neposrednega sončnega sevanja v bivalni coni; 6. priporočena srednja hitrost zraka: v času ogrevanja in hlajenja 0,5 m/s, v ostalem času 0, m/s. Stran 3 / 6

4 Prepih (DR) Prepih predstavlja neželeno lokalno ohlajanje človeka zaradi gibanja zraka. Je eden izmed najpogostejših vzrokov nezadovoljstva v ogrevanih ali hlajenih stavbah in vozilih. Občutek prepiha je odvisen od lokalne temperature zraka, lokalne povprečne hitrosti zraka in intenzivnosti turbulence. Najizrazitejši občutek prepiha je v primeru lahke sedeče aktivnosti pri nevtralnem toplotnem ugodju. Za občutek prepiha je najobčutljivejši predel vratu; za ta vpliv je tudi določen model vpliva prepiha. Za predel rok in nog rezultat model vpliva prepiha podaja prevelik vpliv. Občutek prepiha je manjši pri povečani aktivnosti (>, met) in za ljudi, ki so manj občutljivi na hladno okolje. zaradi prepiha izrazimo kot odstotek ljudi DR (Draught Rate), ki bi jih motil občutek prepiha: ( 34 θ ) ( ) 0,6 z, l z, l 0, 05 ( 0, 37 z, l 3,4) DR = v v Tu + DR stopnja prepiha oz. odstotek (%) DR > 00 % DR = 00 % θ z,l lokalna temperatura zraka ( C) 9 < t z < 7 o C v a, l lokalna hitrost zraka (m/s) v < 0,05 m/s v = 0,05 % Tu lokalna stopnja turbulence (%) Če stopnja turbulence Tu ni znana, se v izračunu upošteva vrednost Tu = 40% Lokalna stopnja turbulence je določena z enačbo: SD Tu = 00 v a, l SD standardni odklon lokalne hitrosti zraka Enačba za izračun ega odstotka velja za ljudi, ki opravljajo lahko sedeče delo in je integralna ocena toplotnega okolja blizu nevtralni. Za izračun standardnega odklona hitrosti SD mora biti čas vzorčenja najmanj 3 minute (80 sekund), frekvenca vzorčenja najmanj Hz, spodnja meja meritve lokalne hitrosti zraka najmanj 0,05 m/s, neodvisno od smeri toka zraka (unidirekcionalna meritev). Stran 4 / 6

5 hitrost [m/s] čas [s] hitrost [m/s] čas [s] Slika : Primer dveh zračnih tokov z enako povprečno lokalno hitrostjo zraka in različnima standardnima odklonoma hitrosti: - povprečna lokalna hitrost zraka v a, l = 0, m/s - slika zgoraj: SD = 0,034 m/s, Tu = 7 % - slika spodaj: SD = 0,059 m/s, Tu = 30 % Glede na zahtevane meje lokalne temperature zraka in stopnjo turbulence lahko določimo lokalno povprečno hitrost zraka, pri kateri dosežemo odstotek zaradi prepiha: 0.5 lokalna povprečna hitrost zraka [m/s] Tu = 0 % Tu = 0 % Tu = 40 % Tu = 60 % lokalna temperatura zraka [ C] Slika : Lokalna temperatura zraka, lokalna povprečna hitrost zraka in stopnja turbulence, pri kateri je odstotek zaradi prepiha DR = 0 %. Stran 5 / 6

6 0.5 lokalna povprečna hitrost zraka [m/s] Tu = 0 % Tu = 0 % Tu = 40 % Tu = 60 % lokalna temperatura zraka [ C] Slika 3: Lokalna temperatura zraka, lokalna povprečna hitrost zraka in stopnja turbulence, pri kateri je odstotek zaradi prepiha DR = 0 %. lokalna povprečna hitrost zraka [m/s] Tu = 0 % Tu = 0 % Tu = 40 % Tu = 60 % lokalna temperatura zraka [ C] Slika 4: Lokalna temperatura zraka, lokalna povprečna hitrost zraka in stopnja turbulence, pri kateri je odstotek zaradi prepiha DR = 30 %. Tabela : Kategorija prostora in vpliv prepiha kategorija prostora a povprečna presoja PMV odstotek zaradi prepiha DR (%) A -0, < PMV < +0, < 5 B -0,5 < PMV < +0,5 < 0 C -0,7 < PMV < +0,7 < 5 Stran 6 / 6

7 Vertikalni gradient temperature zraka Klub temu, da temperatura zraka zagotavlja ugodje v primeru integralne ocene, lahko vpliva na občutek neugodja. Zaradi termične stratifikacije (razslojenosti temperature zraka po višini pri tleh je hladen zrak, pod stropom topel) lahko pride do hladnega zraka v višini gležnja in toplega zraka v višini glave, pri čemer temperaturna razlika povzroči občutek neugodja. Vpliv temperaturnega gradienta je izražen kot vpliv na odstotek PD (Percentage of Dissatisfied) in je določen eksperimentalno z naslednjo enačbo: 00 PD = + exp 5,76 0,856 θ z v (, ) Enačba velja v območju temperaturne razlike θ z, v < 8 C, pri čemer je temperaturna razlika določena z meritvami na višini 0, in, m nad tlemi (višina gležnja in višina glave za sedečo osebo). Podana korelacija velja za z višino naraščajočo temperaturo; pri padajočem temperaturnem gradientu je vpliv ne neugodje manjši PD (%) Dq z,v Slika 5: Pričakovan odstotek v odvisnosti od vertikalnega gradienta temperature zraka Tabela : Kategorija prostora in vpliv vertikalnega gradienta temperature zraka: kategorija PMV (-) PD (%) temperaturna razlika θ z, v ( o C) A -0, < PMV < +0, 3 < B -0,5 < PMV < +0,5 5 < 3 C -0,7 < PMV < +0,7 0 < 4 Stran 7 / 6

8 Asimetrija sevanja Asimetrija toplotnega sevanja določa vpliv različnih površinskih temperatur gradbene konstrukcije na toplotno ugodje. Upoštevane so naslednje situacije: topel strop hladne stene hladen strop tople stene Asimetrija toplotnega sevanja je običajno posledica tople/hladne površine oken, sten, stropa ali tal, vpliva ogreval ali vdora sončnega sevanja. Največji vpliv na neugodje imata topel strop ali hladne stene (okno). V primeru vodoravne asimetrije je upoštevan primer stranske asimetrije glede na človeka (levo/desno oz. desno/levo), ker ima največji vpliv na neugodje (večji kot primer asimetrije spredaj/zadaj). Asimetrijo toplotnega sevanja lahko izrazimo kot asimetrijo sevalne temperature θ pr, ki je definirana kot razlika površinske sevalne temperature dveh nasprotnih površin majhne sevalno črne ravnine. Površinska sevalna temperatura θ pr je izotermna sevalna temperatura polprostora (hemisfere), v katerem je vpadni sevalni toplotni tok na površino majhne ravnine enak kot v dejanskem (realnem) prostoru. Površinska sevalna temperatura je parameter, ki opisuje vpliv toplotnega sevanja v eni smeri v primerjavi s srednjo sevalno temperaturo. Srednjo sevalno temperaturo lahko izračunamo s pomočjo znane: površinske temperature okoliških površin in kotnega faktorja med človekom in okoliškimi površinami kot funkcijo oblike, velikosti in relativnega položaja površine glede na človeka. Ob predpostavki, da je emisivnost površin visoka (ε ) in neupoštevanjem refleksivnosti (predpostavimo črne površine) je srednja sevalna temperatura θ določena kot: s θ = θ F + θ F + + θ F s č č N č N θ N - površinska temperatura N-te površine [K] F č N - kotni faktor med ćlovekom in N-to površino [-] Stran 8 / 6

9 Ker so površine v prostoru običajno pravokotne oblike (stene, strop, tla, okna, ogrevala, itd.), lahko določimo kotni faktor na naslednji način. Predpostavimo Kartezijev koordinatni sistem (x, y, z) in človeka (indeks č), ki je v oddaljenosti (y) od površine A (A = a b) slika 6. a z b A d d γ α β č y x Slika 6: Geometrijski parametri za določitev kotnega faktorja med človekom (točka č) in površino A (a b) v x z ravnini Za diferencialni element da = dx dz, ki je del površine A, lahko ob upoštevanju recipročnosti zapišemo: A ef df c da = da F da c df č da diferencial kotnega faktorja med človekom in površino da F da č kotni faktor med površino da in človekom Iz geometrijskih razmer lahko določimo: F da A c c = cos γ kjer je π x + y + z y cos γ = in x + y + z df c da = A π A c ef y ( x + y + z ) 3 dx dz Kotni faktor med človekom in celotno površino A je: F c A = π x= a z= b x= 0 z= 0 f c y ( x + y + z ) 3 dx dz Stran 9 / 6

10 Enačbo posplošimo tako, da vpeljemo dolžine z dimenzijo razmerja (x/y), (z/y), (a/c) in (b/c): F c A π x a = y c z b = y c = x z = 0 = 0 y y + x y f c + z y 3 d x y d z y Korelacija med koti in ortogonalnimi koordinatami je v obliki: z x y α = arctan in β = arctan y x y +. Poenostavljeno lahko izračunamo površinsko sevalno temperaturo θ s z naslednjima enačbama: N θ = ϕ θ s k k k= h a + b + h ϕk = arctan 8 4 π a b φ k kotni faktor med opazovano točko in k-to površino θ k površinska temperatura k-te površine a,b dolžine stranic k-te površine h oddaljenost k-te površine od opazovane točke Stran 0 / 6

11 Topel strop Odvisnost ega odstotka zaradi vpliva toplega stropa: 00 PD = 5,5 + exp,84 0,74 pr ( θ ) Enačba velja v območju temperaturne razlike θ pr < 3 C PD (%) Slika 7: Pričakovan odstotek zaradi vpliva toplega stropa. Dq pr Tabela 3: Kategorija prostora in vpliv asimetrije sevanja topel strop kategorija PMV (-) PD (%) topel strop - asimetrija sevanja Δθ pr A -0, < PMV < +0, 5 < 5 B -0,5 < PMV < +0,5 5 < 5 C -0,7 < PMV < +0,7 0 < 7 Stran / 6

12 Hladne stene Odvisnost ega odstotka zaradi vpliva hladnih sten: 00 PD = + exp 6,6 0,345 θ pr ( ) Enačba velja v območju temperaturne razlike θ pr < 5 C PD (%) Dq pr Slika 8: Pričakovan odstotek zaradi vpliva hladnih sten Tabela 4: Kategorija prostora in vpliv asimetrije sevanja hladne stene kategorija PMV (-) PD (%) hladne stene - asimetrija sevanja Δθ pr A -0, < PMV < +0, 5 < 0 B -0,5 < PMV < +0,5 5 < 0 C -0,7 < PMV < +0,7 0 < 3 Stran / 6

13 Hladen strop Odvisnost ega odstotka zaradi vpliva hladnega stropa: 00 PD = + exp 9, 93 0,50 θ pr ( ) Enačba velja v območju temperaturne razlike θ pr < 5 C PD (%) Dq pr Slika 9: Pričakovan odstotek zaradi vpliva hladnega stropa Tabela 5: Kategorija prostora in vpliv asimetrije sevanja hladen strop kategorija PMV (-) PD (%) hladen strop - asimetrija sevanja Δθ pr A -0, < PMV < +0, 5 < 4 B -0,5 < PMV < +0,5 5 < 4 C -0,7 < PMV < +0,7 0 < 8 Kadar so vrednosti zunaj veljavnega območja modela, se izpiše ustrezno obvestilo: Stran 3 / 6

14 Tople stene Odvisnost ega odstotka zaradi vpliva toplih sten: 00 PD = + exp 3, 7 0,05 θ pr ( ) Enačba velja v območju temperaturne razlike θ pr < 35 C PD (%) Dq pr Slika 0: Pričakovan odstotek zaradi vpliva toplih sten Tabela 6: Kategorija prostora in vpliv asimetrije sevanja tople stene kategorija PMV (-) PD (%) tople stene - asimetrija sevanja Δθ pr A -0, < PMV < +0, 5 < 3 B -0,5 < PMV < +0,5 5 < 3 C -0,7 < PMV < +0,7 0 < 35 Stran 4 / 6

15 Temperatura tal Odvisnost ega odstotka zaradi vpliva toplih ali hladnih tal: ( f f ) PD = exp, ,8 θ 0, 005 θ Zaradi zdravstvenih zahtev je površinska temperatura tal omejena na 35 C PD (%) Dq f Slika : Pričakovan odstotek zaradi vpliva temperature tal. Tabela 7: Kategorija prostora in vpliv temperature tal kategorija PMV (-) PD (%) temperatura tal θ f ( C) A -0, < PMV < +0, B -0,5 < PMV < +0, C -0,7 < PMV < +0, Tla pogosto predstavljajo edini del gradbene konstrukcije s katero je človek v neposrednem stiku. V nasprotju z ostalimi mehanizmi prenosa toplote med človekom in okolico (konvekcija, sevanje) pride v tem primeru do prevajanja toplote. V primeru obute noge (ta primer je obravnavan) ima temperatura tal relativno majhen vpliv na ugodje zaradi velike toplotne upornosti podplata obuvala. Pri lahkih obuvalih ali bosi nogi je poleg temperature tal zelo pomemben tudi material tal. V primeru bose noge upoštevamo standard ISO/TS 373- :00 (Ergonomics of the thermal environment -- Methods for the assessment of human responses to contact with surfaces -- Part : Human contact with surfaces at moderate temperature) Stran 5 / 6

16 NALOGA Na podlagi meritev fizikalnih parametrov določite lokalno neugodje v merjenem prostoru. S pomočjo izmerjenih vrednosti izračunajte o povprečno presojo stopnje ugodja, in kategorijo prostora. kategorija lokalno neugodje zaradi prepiha zaradi temperaturne razlike zaradi toplih ali hladnih tal zaradi asimetrije sevalne temperature % % % % A < 5 < 3 < 0 < 5 B < 0 < 5 < 0 < 5 C <5 < 0 < 5 < 0 Poročilo naj vsebuje: o opis in skico merjenega prostora, opis merilnih mest, o seznam merilne opreme, o opis postopka meritev, o opis vrednotenja merilnih rezultatov, o analizo in komentar rezultatov meritev. Stran 6 / 6