Rozpoczynamy cykl artykułów poświęcony zagadnieniom komfortu cieplnego w pomieszczeniach mieszkalnych. Przeanalizujemy w nim m.in. kluczowe parametry służące do oceny komfortu oraz zaprezentujemy metodykę ich wyznaczania. Przedstawimy również obowiązujące przepisy prawa w tym zakresie oraz wytyczne normowe. Na początek, w pierwszej części cyklu, przyjrzyjmy się sposobom oceny warunków komfortu cieplnego, także w kontekście historycznym, oraz podstawowym parametrom środowiskowym służącym do tej oceny.

W pomieszczeniach zamkniętych, w tym w pomieszczeniach mieszkalnych, spędzamy wiele godzin dzienne. Sumarycznie, w pomieszczeniach zamkniętych (mieszkania, miejsca pracy) spędzamy większość naszego życia. Między innymi z tego powodu ważne jest, aby miejsce to zapewniało komfortowy mikroklimat. Mikroklimat to – w uproszczeniu – zespół wszystkich parametrów danego pomieszczenia, wywierających wpływ na organizm człowieka. Składnikiem mikroklimatu są warunki cieplnowilgotnościowe, warunkujące komfort cieplny. Te z kolei są efektem działania m.in. instalacji ogrzewczej (bądź chłodzącej). Podstawowym celem działania takiej instalacji jest właśnie zapewnienie odpowiednich warunków komfortu cieplnego w pomieszczeniu, w tym – temperatury.
Działanie grzejników na warunki komfortu cieplnego w pomieszczeniu ma wpływ:

• bezpośredni, gdyż wpływa np. na temperaturę powietrza, przegród budowlanych i elementów wyposażenia pomieszczenia;
• pośredni, gdyż wpływa np. na wartość wilgotności względnej i bezwzględnej powietrza, a także na prędkość przepływu i cyrkulacji powietrza w danym pomieszczeniu.

Zmieniając np. moc grzejnika, zmieniamy nie tylko temperaturę wskazywaną przez termometr w danym pomieszczeniu, ale także wilgotność powietrza i tzw. temperaturę promieniowania (o czym w dalszej części naszego cyklu).

Różne sposoby oceny komfortu cieplnego – trochę historii
Co oczywiste, w różnych pomieszczeniach mogą panować różne warunki cieplno-wilgotnościowe. A co w przypadku, gdy w dwóch pomieszczeniach termometr wskazuje tę samą temperaturę? Czy wówczas parametry komfortu cieplnego są w nich takie same i takie same będzie nasze odczucie komfortu cieplnego? Wiemy, że tak nie jest, a dlaczego – to już nieco bardziej skomplikowana historia.

! Aby można było w prosty sposób porównywać ze sobą pomieszczenia pod kątem panujących w nich warunków komfortu cieplnego, należy zastosować jedno, zbiorcze kryterium porównawcze, a nie kilka różnych parametrów. Z pewnością nie jest to tylko temperatura wskazywana przez termometr. Nie jest to również tylko wartość wilgotności względnej, wskazywana przez higrometr. Co więc jest tym kryterium?

Historia prac w tym zakresie ma już ponad 100 lat. W tym czasie opracowano wiele kryteriów porównawczych oraz wiele metod wyznaczania wartości parametrów kryterialnych. Co więcej – nie były one i nawet w dzisiejszych czasach nie są tożsame. W zależności od regionu, jedne z nich są bardziej popularne, inne mniej.

Jednymi z pierwszych, którzy w sposób naukowy i systematyczny podeszli do zagadnienia komfortu cieplnego, byli Anglicy – Sheppard i Hill [2]. W 1913 r. zaproponowali oni zależności liczbowe między wartościami temperatury i wilgotności względnej, zapewniające warunki komfortowe dla człowieka. Niedługo później, bo w latach 20-tych XX wieku, w USA, zaproponowano jeden z pierwszych parametrów porównawczych. Była to tzw. (amerykańska) temperatura efektywna ET [9]. W dalszych latach opracowano kolejne parametry kryterialne i udoskonalone metody oceny warunków komfortu cieplnego, w tym nową (zmodyfikowaną) temperaturę efektywną ET* [6] oraz standardową temperaturę efektywną SET [6-8].

W pierwszej połowie XX wieku pojawiały się także obszerniejsze monografie na temat komfortu cieplnego. Co ciekawe, autorem jednej z pierwszych był polski internista, Brunon Nowakowski, który opublikował swoją pracę w 1935 r. [12].

Temperatura
Jak wynika z przytoczonych definicji (patrz ramka), na warunki komfortu cieplnego wpływa co najmniej kilka parametrów, a temperatura w pomieszczeniu jest tylko jednym z nich, aczkolwiek zwykle najważniejszym. Jak ma się jednak to, co pokazuje termometr w pomieszczeniu, do tego, co my odczuwamy? Wyobraźmy sobie, że stoimy na mrozie, temperatura powietrza sięga -20°C. Jest nam zimno. A teraz wyobraźmy sobie, że ktoś rozpala obok nas ognisko. Temperatura powietrza dalej jest niska (oczywiście, nie tuż przy ognisku), ale jest nam cieplej, nawet za ciepło. Podobne odczucie często towarzyszy ogrzewaniu pomieszczenia z użyciem dużego pieca kaflowego – czujemy, że ciepło nas „oblepia”, chociaż temperatura powietrza wcale nie jest bardzo wysoka. Wytłumaczeniem tego zjawiska jest drugi składnik temperatury odczuwalnej przez człowieka, tj. temperatura promieniowania. Promieniowanie cieplne, docierając do danej przeszkody, rozgrzewa ją. W ten sposób „działa” na nas ognisko i piec kaflowy, w ten sposób oddziałuje na nas słońce, w ten sposób oddziałują przegrody i elementy wyposażenia w danym pomieszczeniu – podwyższają lub obniżają temperaturę odczuwalną w stosunku do temperatury powietrza. Oczywiście, żeby tak się stało, to element, który promieniuje, musi „widzieć” obiekt, na który promieniuje, tzn. nie może być pomiędzy nimi przeszkód nieprzeźroczystych, które stanowiłyby barierę dla promieni cieplnych.

Obliczanie temperatury operatywnej. Temperatura odczuwana nazywana jest temperaturą operatywną lub temperaturą operacyjną. Obecnie sposób jej obliczania oraz sposób wyznaczania poszczególnych jej składników podaje norma międzynarodowa [13]. Zgodnie z nią:
Nieco inaczej parametr ten zaleca obliczać amerykańska norma (z uwagi na inny rodzaj modelu służący do obliczania warunków komfortu cieplnego) [1]:

Wartość parametru A zależy od prędkości przepływu powietrza i wynosi:
A = 0,5, jeśli ta prędkość jest mniejsza niż 0,2 m/s,
A = 0,6, jeśli ta prędkość zawiera się w zakresie 0,2÷0,6 m/s,
A = 0,7, jeśli ta prędkość zawiera się w zakresie 0,6÷1,0 m/s.

Temperatura operatywna to temperatura czarnego, jednorodnego temperaturowo środowiska, w którym znajdujący się człowiek, na skutek promieniowania i konwekcji, wymienia taką samą ilość ciepła, jaką wymienia w porównywanym, niejednorodnym temperaturowo środowisku rzeczywistym [1, 13, 14]. Ze wzoru (1) wynika, że nie jest ona po prostu średnią arytmetyczną dwóch składowych temperatur, ale przy niewielkich różnicach w ich wartościach (do 4°C) może być tak obliczana [11].

Wilgotność
Wilgotność powietrza można definiować jako względną i bezwzględną. Oprócz opisanych wcześniej temperatur jest to kolejny parametr wpływający na odczucie komfortu cieplnego, przy czym mowa tutaj o wilgotności względnej. Wilgotność bezwzględna to zawartość pary wodnej w powietrzu, wyrażana najczęściej w [g/m³], czyli po prostu masa pary wodnej rozpuszczona w jednostkowej objętości powietrza. Natomiast wilgotność względna, chociaż wydaje się być parametrem wyrażającym podobną wielkość, jest czymś zupełnie innym i faktycznie ma mało wspólnego z wilgotnością potocznie rozumianą. Jest to stosunek masy (bądź ciśnienia cząstkowego) pary wodnej rozpuszczonej aktualnie w powietrzu do maksymalnej masy (bądź ciśnienia cząstkowego) pary wodnej, jaka mogłaby się w tym powietrzu rozpuścić, w tej samej temperaturze. Z tego względu jej wymiar to [%]. Co w praktyce oznacza ta definicja i dlaczego akurat ten rodzaj wilgotności bierze się pod uwagę?

Wilgotność względna oznacza stopień nasycenia powietrza parą wodną, czyli to, ile jeszcze pary wodnej powietrze może wchłonąć ponad aktualną zawartość. Jeśli wilgotność względna wynosi 100%, to powietrze jest w pełni nasycone parą wodną i nie jest w stanie przyjąć więcej wody. Jeśli więc człowiek znajdzie się w takim środowisku, to organizm nie będzie w stanie schłodzić się przez pocenie, bo pot ten nie odparuje z powierzchni skóry.

! Między innymi z tego powodu parametr ten ma pewien wpływ na odczucie komfortu cieplnego. Jest on jednak znacznie mniejszy niż w przypadku temperatury i duża zmienność wartości wilgotności względnej jest przez organizm człowieka lepiej tolerowana, niż duża zmienność temperatury.

Przepływ powietrza
Ruchy powietrza w pomieszczeniu – cyrkulacja, ruchy konwekcyjne, przeciągi itp. – w naturalny sposób wpływają na odczucie komfortu cieplnego, gdyż zwiększają intensywność wymiany ciepła pomiędzy skórą a powietrzem, intensywniej ją chłodząc. Nawet, jeśli temperatura szybko poruszającego się powietrza jest wyższa niż temperatura powietrza nieruchomego, i tak daje to odczucie chłodzenia, oczywiście z pewnym ograniczeniem. Po przekroczeniu pewnej temperatury – równej mniej więcej średniej temperaturze powierzchni skóry – nawiewane powietrze nie chłodzi już organizmu, a ogrzewa go.

Materiały źródłowe:
[1] Amerykańska Norma ASHRAE Standard 55-2020: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy
[2] Bedford T.: Basic principles of ventilation and heating, Lewis, London 1948
[3] Cena K., Clark J.A.: Studies in Environmental Science. Bioengineering, Thermal physiology and comfort, Elsevier 1981
[4] Chandra A.R.: Refrigeration and Air Conditioning, PHI Learning Private Limited, New Delhi 2010
[5] Gagge A.P., Nishi J., Gonzales R.R.: Standard Effective Temperature, Symposium Thermal Comfort and Moderate Heat Stress, CIB Commission W45, Building Research Establishment 1972
[6] Gagge A.P., Stolwijk J.A.J., Nishi Y.: An effective temperature scale, based on a simple model of human physiological regulatory response, ASHRAE trans. 77, str. 247–262, 1971
[7] Gagge P., Nishi Y.: Effective temperature scale useful for hypo and hyperbaric environments, Aviation, Space, and Environmental Medicine, str. 97–107, vol. 48, nr 2, February 1977
[8] Gonzalez R.R., Nishi Y., Gagge A.P.: Experimental Evaluation of Standard Effective Temperature A New Biometeorological Index of Man’s Thermal Discomfort, International Journal of biometeorology, vol. 18, 1/1974, str. 1–15
[9] Houghten F.C., Yaglou C.P.: Determining lines of equal comfort, ASHVE Trans., 28, str. 163–176 i 361–384, 1923
[10] Jones W.P.: Air Conditioning Engineering (fifth edition), Elsevier Butterworth Heinemann 2001
[11] 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)
[12] Nowakowski B.: „Zasady wietrzenia i ogrzewania zakładów pracy”, Instytut Spraw Społecznych, Warszawa 1935
[13] Polska Norma PN-EN ISO 7726:2002: Ergonomia środowiska termicznego. Przyrządy do pomiaru wielkości fizycznych
[14] 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