Kontynuujemy cykl artykułów poświęconych zagadnieniom komfortucieplnego w pomieszczeniach mieszkalnych, w którym omawiamy kluczowe parametry komfortu cieplnego i metodykę ich wyznaczania, a także obowiązujące przepisy prawa w tym zakresie i wytyczne normowe. W pierwszej części cyklu, opublikowanej w „Polskim Instalatorze” 10/2022, zostały przedstawione sposoby oceny warunków komfortu cieplnego – także w kontekście historycznym – i podstawowe parametry środowiskowe służące do tej oceny. W kolejnej, drugiej części, przeanalizujemy parametry indywidualne wpływające na odczucie komfortu cieplnego.

Metabolizm
Wymienione i opisane w poprzedniej części cyklu parametry można traktować jako zewnętrzne, środowiskowe, niezwiązane z daną osobą. Oprócz nich istnieją również parametry, które można traktować jako wewnętrzne, tj. związane z daną osobą.

Podstawowe zależności. Jednym z takich czynników jest parametr określający ilość produkowanej przez organizm mocy wewnętrznej odniesiony do jej strat do otoczenia, według zależności:lub:Po lewej stronie równań mamy różnicę między mocą produkowaną w wyniku przemiany materii a mocą zamienioną na pracę mechaniczną (np. aktywność fizyczna, skurcze mięśni itp.), a po prawej stronie mamy m.in. straty mocy do otoczenia na drodze konwekcji, pocenia się, oddychania.

Z zapisów tych wynika więc, że możemy mieć do czynienia z dwiema różnymi sytuacjami:

jeżelito następuje wzrost temperatury ciała i człowiek odczuwa ciepło;

jeżelito następuje spadek temperatury ciała i człowiek odczuwa zimno.

Zmiany te nie są oczywiście bardzo duże, gdyż człowiek – jako organizm stałocieplny – dąży do utrzymania stałej temperatury ciała. Odpowiedzialny jest za to system termoregulacji, który może uruchamiać różne procesy w organizmie (patrz ramka obok), w zależności od chwilowej potrzeby – podwyższenia bądź obniżenia temperatury ciała.Gdy zwiększa się wysiłek fizyczny. Podwyższenie temperatury ciała można również – abstrahując od możliwości założenia dodatkowych elementów odzieży – uzyskać poprzez intensyfikację wysiłku fizycznego. Na pewno każdemu z nas zdarzyło się przestępować z nogi na nogę, stojąc na mrozie na przystanku. To działanie podświadome, ale uruchamiane właśnie w tym celu.

Generalnie – każdy wysiłek fizyczny powoduje produkcję dodatkowej mocy, głównie w mięśniach, i potencjalny wzrost temperatury ciała. Im bardziej intensywny wysiłek, tym większa jest ta moc. Ale także – im bardziej intensywny wysiłek, tym szybszy oddech. Jest tu bezpośredni związek.

! Moc (cieplna) produkowana przez organizm w wyniku przemiany materii zależy od rodzaju wykonywanego zajęcia i jest (w przybliżeniu) proporcjonalna do strumienia pobieranego powietrza, a więc w przybliżeniu także do intensywności oddychania.

Podstawowe parametry. Znając intensywność oddychania, wartość parametru M (mocy metabolicznej) można policzyć ze wzoru [1, 6, 7, 9]:Parametr RQ (ang. Respiratory Quotient) to iloraz (współczynnik) oddechowy wyrażający stosunek molowy wydalanej w ciągu 1 min objętości dwutlenku węgla CO₂ do pobieranej w ciągu 1 min objętości tlenu O₂. Dla dorosłego człowieka, wynosi on przeciętnie około 0,83 dla wydatku energetycznego poniżej 1,5 met (czyli niezbyt intensywna aktywność fizyczna – patrz dalej). Podczas intensywnego wysiłku fizycznego parametr RQ może nawet przekraczać wartość 1,0.

Parametr V_odd określa objętość tlenu pobieraną z oddechem i np. dla dorosłego człowieka, przy lekkiej pracy, wynosi on V_odd < 0,5 l/min, a przy pracy bardzo ciężkiej wynosi on V_odd > 2,0 l/min.

Parametr A_s oznacza pole powierzchni skóry i można go obliczyć ze wzoru [3, 9]:Wzór ten ma zastosowanie do osób dorosłych. Dla mężczyzny o przeciętnej budowie ciała otrzymuje się z niego wartość As = 1,9 m², zaś dla kobiet o przeciętnej budowie ciała otrzymuje się wartość As = 1,6 m². W oparciu o ten wzór i dane zamieszczone w tabeli 1 można wskazać, że np. mężczyzna w pozycji siedzącej, niewykonujący pracy fizycznej, emituje moc cieplną na poziomie:Dobowe zapotrzebowanie kaloryczne a średniodobowa emitowana moc ciepła. Na podstawie jednostkowej mocy cieplnej emitowanej przez człowieka w procesie metabolizmu i z uwagi na wykonywaną pracę fizyczną określane jest także dobowe zapotrzebowanie kaloryczne. Przyjmuje się, że średnia dobowa wartość tego parametru dla mężczyzny o przeciętnej budowie ciała i dla standardowej aktywności fizycznej to około 2500 kcal.

W przeliczeniu na jednostki układu SI daje to około 10 500 kJ = 10 500 kW·s energii. Przyjmując, że w dobie jest 86 400 sekund, otrzymuje się jednostkową moc cieplną na poziomie:Taka jest też jednostkowa, średniodobowa emitowana moc ciepła.

Zmiany mocy metabolicznej. Wartość parametru M może się zmieniać w szerokich granicach. Zakłada się, że dla człowieka w pozycji siedzącej, niewykonującego pracy fizycznej, wynosi ona M = 58 W/m² powierzchni skóry. Przy ciężkiej pracy fizycznej, np. pewnych dyscyplinach sportu, moc metaboliczna może przekraczać wartość 1000 W/m². Zestawienie wartości tego parametru dla wybranych aktywności fizycznych zaprezentowano w tabeli 1. Bardziej obszerne i szczegółowe dane, wraz z przykładami obliczeniowymi, można znaleźć w normie [9].Wraz ze wzrostem intensywności wysiłku fizycznego, zwiększa się produkowana moc metaboliczna, a także ilość akumulowanej w ciele energii, gdyż nie cała moc jest zamieniana na moc mechaniczną – maksymalnie zamienione może być do około 25% (η = 25%), resztę stanowi tzw. metabolizm kaloryczny i ciepło z niego wynikające musi być oddane do otoczenia [2, 4, 5]. Parametr W, podany we wzorze 1a i następnych podstawowych zależnościach, określa moc przekształconą na moc mechaniczną, nieakumulowaną w ciele. Z kolei parametr związany z metabolicznym wytwarzaniem energii formalnie określa się jednostką met, przy czym 1 met = 58 W/m².

Ubiór
Wiedząc już, że na odczucie komfortu cieplnego wpływ ma temperatura konwekcyjna (powietrza) i temperatura promieniowania (elementów wyposażenia pomieszczenia i jego przegród – generalnie – wszystkich ciał stałych „widzących” daną osobę), a także wilgotność względna, ruchy powietrza i intensywność wykonywanej aktywności fizycznej, można zadać sobie pytanie, czy to wszystko? Oczywiście – nie.

Opór cieplny ubioru. Na odczucie komfortu cieplnego, co naturalne, wpływ ma także ubiór. Im większy opór cieplny odzieży, tym większa ilość ciepła akumulowana jest w ciele i rosnąć może jego temperatura.

! W celu uwzględnienia wpływu odzieży na warunki komfortu cieplnego wprowadzono parametr clo (od ang. clothing), określający opór cieplny odzieży, przy czym 1 clo = 0,155 (m² ∙ K)/W.

Wiadomo, że kurtka ma większy opór cieplny niż koszula. Wiadomo też, że jeśli założymy koszulę i spodnie, zamiast samych spodni, to będzie nam cieplej – w ogólnym ujęciu wypadkowy opór cieplny odzieży jest sumą oporów cieplnych poszczególnych elementów garderoby, według zależności [8, 10]:Przykładowe wartości oporów cieplnych dla wybranych elementów garderoby podano w tabelach 2 i 3. Bardziej obszerne i szczegółowe dane można znaleźć w normie [10]. Ponadto norma ta definiuje metodykę obliczeniową izolacyjności cieplnej odzieży w warunkach dynamicznych – zarówno bowiem ruch ciała, jak i prędkość przepływu powietrza mają na nią wpływ, gdyż zaburzają już ogrzaną, przylegającą do ciała warstwę powietrza.Płeć, wiek, uwarunkowania etniczno-kulturowe
Oprócz wymienionych wcześniej czynników, na odczucie komfortu cieplnego mają wpływ także inne czynniki, bardziej indywidualne, pomimo tego, że w obrębie gatunku ludzkiego system termoregulacji jest taki sam dla wszystkich (zdrowych) osobników.

Abstrahując od stanów chorobowych, wpływ czynników – takich jak wiek, płeć, przynależność kulturowa, pochodzenie, a nawet miejsce zamieszkania – ma pewien wpływ na postrzeganie warunków komfortu cieplnego. Znaczenie ma również fakt przyzwyczajenia organizmu do pewnych warunków cieplno-wilgotnościowych – aklimatyzacja.

! W metodzie opierającej się na wskaźniku PMV wpływ aklimatyzacji nie jest uwzględniony, aczkolwiek jest on ujęty w metodzie adaptacyjnej, którą opiszę w ostatniej części cyklu. W praktyce, projektując dany system ogrzewczy/chłodniczy, warto wziąć to pod uwagę i zapewnić takiemu systemowi elastyczność pracy.

Materiały źródłowe:
[1] ASHRAE Handbook – Fundamentals (I-P Edition), American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta 2009
[2] Cul A., Komorowicz T., Kupiec K.: „Wymiana ciepła między człowiekiem a otoczeniem w mikroklimacie zimnym”, Czasopismo Techniczne 2/2012
[3] Du Bois D., Du Bois E.F.: „A formula to estimate the approximate surface area if height and weight be known”, Archives of Internal Medicine 17/1916, str. 863–871
[4] Fanger P.O.:„Komfortcieplny”, Arkady, Warszawa 1974
[5] Fanger P.O.:„Thermal Comfort. Analysis and Applications in Environmental Enginnering”, Danish Technical Press, Copenhagen 1970
[6] Kabza Z.:„Pomiary parametrów i urządzeń termoenergetycznych” – opracowanie w ramach projektu Plan rozwoju Politechniki Częstochowskiej współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego (nr projektu POKL. 04.01.01-00-059/08)
[7] Nishi Y.: „Measurement of thermal balance of man”, Bioengineering Thermal Physiology and Comfort, K. Cena and J.A. Clark, eds. Elsevier 1981 New York
[8] Polska Norma PN-EN ISO 7730:2006: Ergonomia środowiska termicznego. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów miejscowego komfortu termicznego
[9] Polska Norma PN-EN ISO 8996:2005: Ergonomia środowiska termicznego – Określanie tempa metabolizmu
[10] Polska Norma PN-EN ISO 9920:2009: Ergonomia środowiska termicznego – Szacowanie izolacyjności cieplnej i oporu pary wodnej zestawów odzieży