W dotychczasowych artykułach z cyklu "Chłodno, cieplej, komfortowo – komfort cieplny w pomieszczeniach"¹ omówiłem zagadnienia związane ze sposobami oceny warunków komfortu cieplnego i podstawowymi parametrami środowiskowymi, parametrami indywidualnymi wpływającymi na odczucie komfortu cieplnego, a także kwestie krajowych wymagań odnośnie do temperatur w pomieszczeniach, w kontekście warunków komfortu cieplnego.

W tej części, zamykającej powyższy cykl, skupię się na omówieniu modelu adaptacyjnego oceny warunków komfortu cieplnego i porównaniu go do modelu statycznego, omówionego wcześniej.

Streszczenie
W cyklu artykułów omówiono tematykę komfortu cieplnego w pomieszczeniach mieszkalnych, wraz z kluczowymi parametrami i metodyką ich wyznaczania. Wskazano obowiązujące przepisy prawa w tym zakresie oaz wytyczne normowe.
W czwartej, ostatniej części cyklu, omówię różnice pomiędzy modelem statycznym a adaptacyjnym oceny warunków komfortu cieplnego. Zaprezentują także alternatywne metody oceny warunków komfortu cieplnego, powstałe i stosowane w USA. Pokażę także przydatne narzędzie służące do obliczania parametrów komfortu cieplnego.

Model statyczny a adaptacyjny oceny warunków komfortu cieplnego
Jak wskazano w pierwszej części tego cyklu, do opisu warunków komfortu cieplnego oryginalnie służyły procedury opracowane w USA, które ewoluowały do aktualnych zapisów zawartych w [1], gdzie parametrem kryterialnym jest SET. W krajach europejskich przyjęło się stosować metodę opisaną w normie [7], gdzie parametrem kryterialnym jest PMV. Obie procedury różnią się w kilku zasadniczych kwestiach:

• Model „europejski” PMV jest modelem statycznym, zakładającym stałość lub nieznaczne wahania warunków cieplnych w pomieszczeniu i stałą aktywność fizyczną osoby.
• Ponadto zakłada się w nim brak zjawiska aklimatyzacji człowieka, tj. zdolności organizmu do przyzwyczajania się w pewnym zakresie do danych warunków cieplnych, przy odpowiednio długim i częstym przebywaniu w nich.
• Udowodniono, że model ten prawidłowo przewiduje odczucie cieplne przy skokowym wzroście temperatury, natomiast przy skokowym jej spadku odczucie cieplne człowieka zgadza się z określonym wg tego modelu dopiero po ok. 20 min od zmiany [2].
• Dodatkowo, co jest jedną z ważniejszych rzeczy, model oryginalnie zaproponowany przez Fangera, opierał się na wynikach uzyskanych w trakcie pomiarów w pomieszczeniach zbliżonych do klimatyzowanych, tj. z wentylacją wymuszoną, mechaniczną i o stabilizowanej temperaturze. Jak wykazały dalsze badania ([3]), zakres optymalnych wartości parametrów komfortu cieplnego w przypadku pomieszczeń z wentylacją wymuszoną i naturalną jest różny i model ten jest mniej dokładny w przypadku pomieszczeń z wentylacją naturalną. Zwykle zawyża on w tej sytuacji odsetek osób niezadowolonych, a ludzie odczuwają komfort cieplny w szerszym zakresie parametrów niż wskazuje model PMV [4]. Dlatego też nie powinno się porównywać wartości tych wskaźników dla takich dwóch przypadków – bezpośrednie porównanie temperatur operatywnych nie da prawidłowych wniosków. Zróżnicowanie to uwzględniają zapisy aktualnych norm [6] (niedawno zastąpiła przez długi czas stosowaną normę [5]) i [7], prezentujące i różnicujące zakresy temperatury operatywnej dla tych dwóch wariantów. W sytuacji wentylacji naturalnej – która ciągle jeszcze, zwłaszcza w krajach rozwijających się (np. Polska), jest częściej spotykana – zakresy optymalnych temperatur operatywnych są szersze niż w przypadku wentylacji mechanicznej.
• Model „amerykański” jest tzw. modelem adaptacyjnym, słusznym dla pomieszczeń z wentylacją naturalną, a nie mechaniczną Zakłada on, że użytkownicy mogą samodzielnie i indywidualnie dokonywać np. zmian ubioru, intensywności wysiłku fizycznego, np. używania wentylatora, otwierania/zamykania okien w celu zapewnienia sobie odpowiedniego komfortu cieplnego, itp. Model ten wiąże akceptowalną temperaturę wewnętrzną z temperaturą zewnętrzną.
• Ponadto, model ten może być stosowany tylko wtedy, clo<1,5 (w modelu PMV jest to clo<4).

Model adaptacyjny jest opisany zarówno w normie amerykańskiej [1], jak i w normie europejskiej [6]. Podobnież – model PMV jest opisany w obu tych normach. Model adaptacyjny zakłada, że temperatura zewnętrzna ma wpływ na postrzeganie komfortu cieplnego przez użytkowników znajdujących się w pomieszczeniach o naturalnej wentylacji i na zdolność człowieka do adaptacji do aktualnych warunków, w odróżnieniu od statycznej metody „europejskiej”, opartej o wskaźnik PMV. Temperatura odniesiona jest do tzw. średniej ruchomej temperatury zewnętrznej, którą można obliczyć ze wzoru także podanego w obu normach [1, 6]:

Lub, w uproszczeniu:

Zapisy te oznaczają, że dni bardziej odległe od danego dnia poddawanego analizie (np. temperatura z indeksem 3 w stosunku do temperatury z indeksem 2) mają mniejszy wpływ na odczucie komfortu cieplnego użytkowników, niż dni mniej odległe. Współczynnik α zawiera się w przedziale 0÷1 i kontroluje prędkość, z jaką średnia ruchoma reaguje na zmiany w wartości temperatury zewnętrznej. Zalecane wartości to α=0,9 α=0,6, odpowiednio dla szybkoreagującej i wolnoreagującej.

W normie [6] zdefiniowana jest numerowa klasyfikacja pomieszczeń – środowiskom wewnętrznym przypisywane są kategorie, zależne od wartości parametrów komfortu cieplnego (kategorie powołane są też w normie [7], ale jako literowe – A, B, C, patrz trzecia część cyklu). Klasyfikacja ta dokonana jest zarówno dla okresu zimowego (ogrzewanie), jak i okresu letniego (chłodzenie), dla budynków wyposażonych w wentylację mechaniczną, jak i naturalną, a także w przypadku występowania systemu klimatyzacji/chłodzenia.

Na rysunku 1 podano zalecane zakresy temperatury operatywnej w pomieszczeniach dla budynków bez mechanicznych systemów chłodzenia (generalnie – wentylacyjnych, ogrzewczo-chłodzących), w funkcji średniej ruchomej temperatury zewnętrznej. Linie wykreślone są w oparciu o wzory (3-9). Wytyczne te mają zastosowanie dla budynków mieszkalnych i biurowych, w których użytkownicy wykonują aktywność fizyczną w pozycji siedzącej, mają możliwość swobodnego dostosowania odzieży do aktualnych warunków cieplnych wewnątrz i na zewnątrz oraz istnieje możliwość otwierania okien. Słowem – dla warunków adaptacyjnych.

Zapisami tymi, jako wytycznymi adaptacyjnymi dla pomieszczeń bez mechanicznych układów chłodzenia (generalnie – wentylacyjnych, ogrzewczo-chłodzących), posługiwać można się w sezonie letnim i w okresach przejściowych (wiosna, jesień). Dla budynków, w których takie systemy są aktywne (w okresie zimowym – system ogrzewczy, w okresie letnim – system chłodzący), należy się posługiwać wytycznymi zawartymi w tabeli 1.

Parametr t_e,d to arytmetyczna średnia dobowa (24 h) temperatura powietrza zewnętrznego. Współczynnik α zaleca się przyjmować na poziomie 0,8. Metoda ta może być stosowana dla zakresu parametru met = 1,0–1,3. Graficzną ilustrację powyższych wzorów pokazano na rysunku 1.

Norma [6] podaje także dopuszczalne zakresy wartości parametru PMV dla poszczególnych kategorii pomieszczenia. Zestawiono je w tabeli 2.

Ponadto w normie można znaleźć szereg innych klasyfikacji parametrów komfortu cieplnego w funkcji kategorii pomieszczenia – dotyczących zarówno globalnego, jak i lokalnego komfortu cieplnego.

W przeciwieństwie do normy [6], w normie [1] nie podaje się wprost kategorii pomieszczeń. Definiowane są strefy akceptowalnych temperatur w odniesieniu do przewidywanej, procentowej liczby osób zadowolonych z danych warunków cieplnych (80% i 90%), w niewentylowanym mechanicznie pomieszczeniu. Przedstawiono to na rysunku 2. Temperatura zewnętrzna jest tu rozumiana jako średnia z co najmniej 7 dni i co najwyżej 30 dni następujących po sobie, a nie jako średnia dobowa.

Norma [1] definiuje ponadto pewną klasyfikację – nie tyle klasyfikację pomieszczenia z punktu widzenia warunków komfortu cieplnego, ale z punktu widzenia potencjalnego stopnia oddziaływania użytkownika na odczucie komfortu cieplnego, zgodnie z tabelą 3.

Co wynika z porównania tych dwóch modeli w kontekście oceny warunków komfortu cieplnego? Model adaptacyjny w zamyśle nie służy do oceny warunków komfortu cieplnego, a wskazuje głównie zakres optymalnej temperatury operatywnej przy założeniu odpowiedniej reakcji użytkownika na zmiany jego parametrów, w przypadku braku wentylacji mechanicznej i urządzeń stabilizujących parametry komfortu cieplnego.

Obliczenia parametrów komfortu cieplnego są dość skomplikowane i czasochłonne, jeśli zechcemy je wykonywać ręcznie. Istnieją jednak dedykowane aplikacje, które umożliwiają dokonywanie takich obliczeń, w tym narzędzia on-line. Jednym z takich narzędzi jest aplikacja on-line o nazwie „CBE Thermal Comfort Tool”, autorstwa Center For The Built Environment. Umożliwia ona wyznaczanie zarówno parametrów metody „europejskiej”, opartej na wskaźniku PMV, jak i wskaźnika SET, zgodnie z adaptacyjną metodą „amerykańską”. Dzięki temu można bezpośrednio porównać wyniki obliczeń dla obu metod.

Narzędzie posługuje się zapisami norm ASHRAE 55 [1] oraz EN 16798 (wersja polska tej normy – PN-EN 16798 [6] – jest bezpośrednim tłumaczeniem wersji anglojęzycznej). Ta druga norma dotyczy (w swojej pierwszej części) charakterystyki energetycznej budynków i mikroklimatu w szerokim zakresie – środowiska cieplnego, jakości powietrza wewnętrznego, oświetlenia i akustyki. Jednak w swojej części dedykowanej warunkom komfortu cieplnego posługuje się zapisami norm poświęconych wyznaczaniu parametrów komfortu cieplnego i klas pomieszczeń, przytoczonych do tej pory w niniejszym cyklu. Na rysunkach 3-6 pokazano przykładowe analizy dokonane z użyciem tego narzędzia.

Materiały źródłowe:
[1] Amerykańska Norma ASHRAE Standard 55-2020: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy
[2] de Dear R.J., Ring J.W., Fanger P.O.: Thermal sensations resulting from sudden ambient temperature changes. Indoor Air. 3/1993,str. 181–192
[3] Houghten F.C., Yaglou C.P.: Determining lines of equal comfort, ASHVE Trans., 28, str. 163–176 i 361–384, 1923
[4] HumphreysM.A.,NicolJ.F.:Understandingtheadaptiveapproachofthermal comfort, ASHRAE Transactions, Vol. 104/1988, str. 991–1004
[5] Polska Norma PN-EN 15251:2012: Parametry wejściowe środowiska wewnętrznego dotyczące projektowania i oceny charakterystyki energetycznej budynków, obejmujące jakość powietrza wewnętrznego, środowisko cieplne, oświetlenie i akustykę
[6] Polska Norma PN-EN 16798-1:2019-06: Charakterystyka energetyczna budynków Wentylacja budynków Część 1: Parametry wejściowe środowiska wewnętrznego do projektowania i oceny charakterystyki energetycznej budynków w odniesieniu do jakości powietrza wewnętrznego, środowiska cieplnego, oświetlenia i akustyki Moduł M1-6
[7] 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

^[1] Artykuły z cyklu „Chłodno, cieplej, komfortowo – komfort cieplny w pomieszczeniach” zostały opublikowane w „PI” 10/2022 – cz. I „Sposoby oceny warunków komfortu cieplnego i podstawowe parametry środowiskowe”, w „PI” 3/2023 – cz. II „Parametry indywidualne wpływające na odczucie komfortu cieplnego” oraz w PI 4-5/2023 – cz. III "Komfort cieplny a krajowe wymagania odnośnie do temperatur w pomieszczeniach". 

Dr hab. inż. Damian Piotr Muniak, prof. PK
Katedra Energetyki,
Politechnika Krakowska
im. Tadeusza Kościuszki, Al. Jana Pawła II 37,
31-864 Kraków, Polska
Tel.: +48 12 628-35-52
Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.
Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.