V současné době je kladen stále větší důraz na celkovou kvalitu pracovního prostředí a tepelný komfort člověka. Pro stanovení výsledné tepelné pohody je nutné měřit několik dílčích fyzikálních veličin. Příspěvek uvádí základní pojmy z oblasti hodnocení tepelného stavu prostředí vnímaného člověkem. Jsou v něm definovány parametry, které ovlivňují tepelnou pohodu člověka, a stručně zmíněny způsoby jejich měření, popř. vyhodnocování.
Tepelná pohoda člověka se v poslední době stále častěji dostává do popředí zájmu. Lze ji definovat jako stav mysli, jenž vyjadřuje spokojenost s teplotním klimatem a který vychází ze subjektivního hodnocení (podle American Society of Heating, Refrigerating & Air Conditioning Engineers – ASHRAE).
Nastavit tepelnou pohodu v místnosti podle naměřených hodnot vybraných veličin není jednoduché. Vyhodnocuje se mnoho faktorů, a to nejen spjatých s prostředím, ale také osobních. Z faktorů spjatých s prostředím nejde jen o teplotu, ale také o vlhkost vzduchu, rychlost proudění vzduchu a střední radiační teplotu. V první řadě je nutné všechny parametry správně naměřit. Teprve poté lze navrhnout efektivní způsob řízení těchto parametrů, když cílem je dosáhnout tepelné pohody
při co nejmenší spotřebě energií.
Faktory tepelné pohody
Tepelná pohoda je pocit, který člověk vnímá při pobytu v prostředí. Člověk při různých činnostech produkuje větší či menší množství tepla. Aby se výrazně nezvýšila teplota těla, musí být zajištěn odvod člověkem produkovaného tepla do prostoru. Naproti tomu odvod tepla nesmí být tak intenzivní, aby způsobil výrazný pokles teploty těla. Člověk by tedy neměl mít v daném prostředí pocit nepříjemného chladu a ani nepříjemného tepla.
Faktory ovlivňující výměnu tepla mezi tělem člověka a jeho okolím mají zároveň vliv na dosažený stupeň tepelné pohody. Dělí se do dvou základních kategorií, a to na faktory prostředí a faktory osobní.
Faktory prostředí jsou:
-
teplota vzduchu ta (°C), což je teplota vzduchu v interiéru bez vlivu sálání z okolních povrchů; při měření ta je tedy čidlo teploměru třeba účinně chránit před tepelným zářením z okolních povrchů,
-
rychlost proudění vzduchu w (m·s–1) je veličina určená svojí velikostí a směrem,
-
střední radiační teplota tr (°C) je myšlená rovnoměrná společná teplota všech ploch v prostoru, při níž by byl přenos tepla z těla sáláním stejný jako ve skutečnosti,
-
vlhkost vzduchu, jejíž vliv je při relativní vlhkosti vzduchu v rozmezí 30 až 70 % malý.
Osobními faktory jsou:
-
energetický výdej člověka M (W·m–2), který udává tepelný výkon člověka závislý na jeho tělesné aktivitě (tab. 1), osobních dispozicích (věk, postava, fyzická kondice) a podmínkách, v nichž se daná osoba nachází,
-
tepelný odpor oděvu (oblečení) je jeden z hlavních faktorů ovlivňujících odvod tepla z lidského těla do okolí; pro účely studia tepelné pohody byla zavedena jednotka s názvem clo (viz [3], jedno clo odpovídá izolační hmotě s tepelným odporem Rcl = 0,155 m2·K·W–1 neboli 1 clo je izolační hodnota běžného pánského obleku v kombinaci s bavlněným prádlem); celková hodnota clo pro soubor oblečení je 0,82násobek součtu hodnot jednotlivých částí oblečení (tab. 2).
Způsoby měření a vyhodnocování těchto veličin jsou podrobně popsány v normách [2] a [3].
Kritéria tepelné pohody
Jako kritéria k hodnocení tepelné pohody se nejčastěji používají operativní teplota to, pak předpověď středního tepelného pocitu, tzv. index PMV, dále předpověď procentuálního podílu nespokojených PPD a obtěžování průvanem DR, ale také veličiny jako ekvivaletní teplota, efektivní teplota atd.
Operativní teplota
Operativní teplota to (°C) je definována jako jednotná teplota černého uzavřeného prostoru, ve kterém by tělo sdílelo konvekcí i sáláním stejné množství tepla jako ve skutečném teplotně nesourodém prostředí. Ve většině případů, kde je relativní rychlost proudění vzduchu malá (menší než 0,2 m·s–1) nebo kde je malý rozdíl mezi střední radiační teplotou tr – a teplotou vzduchu ta (méně než 4 K), lze operativní teplotu vypočítat jako aritmetický průměr teplot ta a tr. Při vzrůstající rychlosti proudění vzduchu w a rostoucím rozdílu teplot ta a tr – se operativní teplota určí podle rovnice [3]
(1)
kde A = 0,75w0,16.
Pro střední radiační teplotu platí vztah [3]
(2)
kde Tg je teplota kulového teploměru s průměrem d (K), Ta absolutní teplota vzduchu (K), k konstanta (2,9·108 pro d = 100 mm; 2,5·108 pro d = 150 mm).
Podrobnější tabulky a grafy pro určení optimální operativní teploty lze najít v normě [3].
Index PMV
Index PMV (Predicted Mean Vote, jako veličina ve výpočtech dále značený PPMV) je ukazatel, který předpovídá střední tepelný pocit velké skupiny osob. Lze ho stanovit, jestliže se odhadne energetický výdej člověka, hodnota tepelného odporu oděvu a změří se již zmíněné faktory prostředí. Z řešení tepelné bilance je odvozena rovnice pro výpočet středního tepelného pocitu PMV [3] (resp. hodnoty veličiny PPMV)
(3)
když platí
(4)
(5)
(6)
kde PPMV je předpověď středního tepelného pocitu (PMV), M energetický výdej povrchu lidského těla (W·m–2), W užitečný mechanický výkon, tj. vnější práce, u většiny prací se rovná nule (W·m–2, vztaženo k ploše povrchu lidského těla), Rcl tepelný odpor oděvu (m2·K·W–1), fcl poměr povrchu oblečeného člověka k povrchu nahého člověka, var relativní rychlost proudění vzduchu, vůči lidskému tělu (m·s–1), pa parciální tlak vodní páry (Pa), hc součinitel přestupu tepla konvekcí (W·m–2·K–1),
tcl teplota povrchu oděvu (°C).
Výsledný střední tepelný pocit je hodnocen sedmistupňovou stupnicí PMV, kde +3 je horko, 0 neutrální pocit (tepelná pohoda) a –3 zima (tab. 3).
Index PPD
Vzhledem k individuálním odchylkám fyziologických funkcí jednotlivců nelze zajistit pocit pohody všem lidem v daném prostoru. Vždy je asi pět procent nespokojených, kteří pociťují tepelnou nepohodu, tzv. diskomfort.
Procentuální podíl nespokojených PPD (ve vztazích značen PPPD) se vyhodnocuje na základě hodnoty středního tepelného pocitu PPMV podle vztahu [3]
(7)
Graficky je způsob stanovení PPD znázorněn na obr. 1.
Index DR
Stupeň obtěžování průvanem DR (ve vztazích dále PDR) je samostatný ukazatel pro posuzování parametrů prostředí podle normy [3]. Vyjadřuje procentuální podíl osob, u kterých převládá pocit obtěžování průvanem. Určí se podle vztahu [3]
PDR = (34 – ta) (w – 0,05)0,62 (0,37wTu + 3,14) (8)
kde Tu je místní intenzita turbulence (%).
Měření faktorů prostředí
Ke stanovení celkových indexů pohody je nutná znalost uvedených fyzikálních veličin. V dalším jsou proto alespoň stručně popsány používané způsoby jejich měření a faktory, kterými jsou procesy měření ovlivněny.
Měření teploty vzduchu
Každé čidlo teploty měří pouze svou vlastní teplotu. Tato teplota se však může lišit od teploty měřeného média (v popisovaném případě vzduchu). Faktory, které ovlivňují údaj čidla, jsou tepelné záření (radiace) a tepelná setrvačnost čidla.
Potlačit vliv radiace lze použitím čidla z leštěného kovu nebo jeho pokrytím reflexním nátěrem. Dále je třeba zajistit proudění vzduchu okolo čidla nucenou ventilací a zmenšit rozměry čidla.
Tepelná setrvačnost čidla je druhým parametrem, který má vliv na přesnost měření. Teploměr bude reagovat rychleji, jestliže jeho rozměry i hmotnost budou menší a čím bude menší jeho specifické teplo a intenzivnější výměna tepla s okolím (té se dosáhne podporou proudění vzduchu okolo čidla).
K měření teploty okolního vzduchu lze použít snímače různých typů. Výhodné je použít elektrické snímače, např. snímač s proměnným odporem (termistor) nebo termočlánek.
Měření střední radiační teploty
Střední radiační teplotu tr – lze měřit přístroji, které umožňují integrovat celkově nerovnoměrnou radiaci z povrchů okolních ploch. Nejčastěji se používá černý kulový teploměr, který je tvořen černou koulí, v jejímž středu je čidlo teploty (termočlánek, odporový teploměr). Kulový teploměr se umístí do prostoru, kde se bude měřit střední radiační teplota. Koule se ustálí v tepelné rovnováze dané účinkem výměny tepla radiací a prouděním. K výpočtu tr – se použije vztah (2).
Měření rychlosti proudění vzduchu
Rychlost proudění vzduchu je třeba brát v úvahu pro stanovení přenosu tepla prouděním a odpařováním v místě pobytu člověka. U snímačů pro měření rychlosti proudění vzduchu se sledují především tyto tři základní charakteristiky:
-
citlivost na směr proudění,
-
citlivost na kolísání rychlosti proudění,
-
možnost zjistit střední rychlosti za určitou dobu.
Měřit lze především ultrazvukovými nebo tepelnými anemometry.
Měření vlhkosti vzduchu
Vlhkost vzduchu se bere v úvahu při stanovování přenosu tepla odpařováním z osoby. K měření vlhkosti vzduchu se používají psychrometry, hygrometry atd.
Závěr
V článku je stručně přiblížena problematika diagnostiky tepelné pohody člověka v prostředí uzavřených prostor. V současné době se začíná klást důraz na pohodu prostředí, ve kterém se člověk nachází. Z různých studií vyplývá, že člověk stráví až 90 % svého života v uzavřených prostorách, a i tato skutečnost je důvodem, proč je třeba této problematice věnovat větší pozornost.
Jako příspěvek v dané oblasti je na pracovišti autora připravován vývoj malého kompaktního snímače, který by byl schopen zjistit hodnoty příslušných fyzikálních veličin, uvedených v článku, a stanovit výsledný tepelný stav prostředí z hlediska pohody člověka. Skelet kompaktního snímače musí být proveden tak, aby se měřené veličiny navzájem co nejméně ovlivňovaly. Údaje z jednotlivých čidel bude zpracovávat procesor a výsledky bude možné zobrazit v grafické podobě na počítači.
Poděkování
Článek vznikl v rámci řešení grantového projektu GAČR 101/05/H018 – Výzkum efektivních systémů pro zlepšení kvality vnitřního prostředí.
Literatura:
[1] VDOLEČEK, F. – ZUTH, D.: Sledování tepelné pohody člověka. Technická diagnostika, 2006, roč. 15, č. XX, s. 384–390, ISSN: 1210-311X.
[2] ČSN EN ISO 7726 Tepelné prostředí – Přístroje a metody měření fyzikálních veličin.
[3] ČSN ISO 7730 Ergonomie tepelného prostředí – Analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kritéria místního tepelného komfortu.
[4] PAVELEK, M.: Senzory pro hodnocení tepelného stavu a pohody prostředí. Prezentace, odbor termomechaniky a techniky prostředí EÚ FSI VUT v Brně, 2007.
[6] ČSN EN ISO 14505-2 Ergonomie tepelného prostředí – Hodnocení tepelného prostředí ve vozidlech – Část 2: Stanovení ekvivalentní teploty.
[7] ČSN EN ISO 14505-3 Ergonomie tepelného prostředí – Hodnocení tepelného prostředí ve vozidlech – Část 3: Hodnocení tepelného komfortu pomocí zkušebních osob.
[8] JANEČKA, J.: Diagnostika tepelného stavu prostředí. In: Sborník z konference TD 2008 – Diagon 2008, Academia centrum UTB ve Zlíně, 2008, s. 11–16, ISBN 978-80-7318-707-1.
Ing. Jan Janečka,
ústav automatizace a informatiky,
Fakulta strojního inženýrství,
Vysoké učení technické v Brně
Obr. 1. Předpověď procentuálního podílu nespokojených PPD [5]
Tab. 1. Hustota tepelného toku produkovaného člověkem při vybraných činnostech [1]
Tab. 2. Tepelný odpor částí oblečení [3]
Tab. 3. Stupnice hodnocení středního tepelného pocitu PMV [3]