W naszym cyklu artykułów „Chłodno, cieplej, komfortowo – komfort cieplny w pomieszczeniach” przedstawiamy zarówno kluczowe parametry komfortu cieplnego, jak i metodykę ich wyznaczania. Odnosimy się również do obowiązujących przepisów prawa w omawianym zakresie oraz wytycznych normowych. Za nami dwie pierwsze części cyklu*, poświęcone sposobom oceny warunków komfortu cieplnego, a także parametrom środowiskowym i indywidualnym wpływającym na jego odczuwanie.

W tej części omówimy komfort cieplny z punktu widzenia jego definicji i metodyki obliczania parametrów kryterialnych. Przyjrzymy się też, jak na tym tle wypadają krajowe wymagania odnośnie do temperatury w pomieszczeniach.

Komfort cieplny (nazywany także „komfortem termicznym”) to stan, w którym dane środowisko jest dla człowieka obojętne pod względem odczucia cieplnego – nie odczuwa on zimna czy ciepła, ani globalnie na całym ciele, ani lokalnie na wybranych częściach ciała. Taka sytuacja występuje w przypadku stanu równowagi cieplnej z otoczeniem, jak opisano w II części cyklu* .

Oprócz warunku równowagi cieplnej odczucie komfortu cieplnego oznacza, że dana osoba nie doznaje przeciągu czy zbytniej suchości lub wilgotności powietrza. Ujęcie takie oznacza, że komfort cieplny jest wrażeniem subiektywnym, zależnym od potrzeb i preferencji danej osoby, a także od tego, jak jest ona ubrana i jaką czynność fizyczną w danej chwili wykonuje.

! Z tego powodu nie jest możliwe sformułowanie kompletu wartości parametrów komfortu cieplnego, który będzie gwarantem zadowolenia dla wszystkich osób przebywających w danym pomieszczeniu. Można jednak wyznaczyć takie wartości parametrów, które będą satysfakcjonujące dla możliwie największej liczby osób – będą one pewnym kompromisem.

Pierwsze badania odczucia komfortu cieplnego na szeroką skalę
Badania takie jako pierwszy przeprowadził duński naukowiec Ole Fanger w latach 60. i 70. ubiegłego wieku [1, 2]. Fanger wyróżnił następujące parametry wpływające na globalne (na całym ciele) odczucie komfortu cieplnego:

• środowiskowe, niezwiązane bezpośrednio z daną osobą, w tym:
  – temperatura powietrza t_i,
  – średnia temperatura (promieniowania) przegród t_pr,
  – wilgotność względna powietrza φ_i ,
  – prędkość przepływu powietrza v_ar;
• związane bezpośrednio z daną osobą, w tym:
  – opór cieplny clo odzieży,
  – wydatek energetyczny met osoby,
  – wiek, płeć, czynniki etniczno-geograficzne, sposób odżywiania, częstość przyjmowania posiłków itp.

Zespół tych czynników ujął w dwóch parametrach kryterialnych, będących podstawą oceny komfortu cieplnego w pomieszczeniu i służących do porównywania różnych pomieszczeń ze sobą. Parametry te to:

• PMV (predicted mean vote) – mówi o tym, jaka jest średnia ocena danego środowiska cieplnego przez oceniającą grupę osób; odnosi się do środowiska umiarkowanego termicznie;
• PPD (predicted percentage dissatisfied) – obrazuje procentowy udział osób, które będą niezadowolone z panujących w nim warunków cieplnych.

Metody oceny komfortu cieplnego zgodnie z normą międzynarodową
Prace Fangera stały się także podstawą opracowania norm międzynarodowych z zakresu komfortu cieplnego w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi, m.in. normy [6]. Norma ta jest obecnie podstawowym dokumentem z zakresu metod oceny komfortu cieplnego pomieszczeń o umiarkowanym mikroklimacie. Definiuje ona sposoby obliczania i wyznaczania parametrów PMV i PPD, zarówno dla warunków ustalonych, jak i zmiennych w czasie. Podaje także klasy, na które są podzielone środowiska wewnętrzne na podstawie zakresu wahań parametrów komfortu cieplnego, w tym dodatkowo wielkości odnoszących się do warunków lokalnego komfortu cieplnego.

Te dodatkowe parametry to:

• przeciąg dr (draught rate) – mówi o ryzyku wystąpienia przeciągu, reprezentuje więc ryzyko lokalnego chłodzenia konwekcyjnego; wyrażany w procentach;
• pionowa różnica temperatury powietrza (vertical air temperature difference) – mówi o niezadowoleniu z mikroklimatu przy wystąpieniu danej różnicy temperatury między głową a kostkami w sytuacji spadku temperatury ku górze;
• ciepłe i zimne podłogi (warm and cool floors) – mówi o niezadowoleniu z danej temperatury podłogi w przypadku noszenia lekkiego domowego obuwia;
• asymetria promieniowania (radiant asymmetry) – mówi o niezadowoleniu z mikroklimatu z powodu występowania asymetrii temperatury przegród, tj. różnych wartości temperatury poszczególnych przegród.

! Dla podanych wyżej parametrów określa się wskaźnik PD mówiący o procentowym udziale osób niezadowolonych z danych warunków.

Wyszczególnione w normie [6] kategorie pomieszczeń i wymagane dla nich wartości parametrów komfortu cieplnego zestawiono w tabeli 1. Dla wymienionych kategorii pomieszczeń definiuje się ponadto dopuszczalny zakres temperatury podłogi (dla klas A i B wynosi on 19-29°C), maksymalny pionowy gradient temperatury i inne parametry.

Obliczanie wartości wskaźnika PMV. Przede wszystkim parametrem tym można się posługiwać, gdy są spełnione następujące wymagania [6]:

• temperatura powietrza w pomieszczeniu mieści się w zakresie 10-30°C,
• średnia temperatura promieniowania przegród w pomieszczeniu jest w granicach 10-40°C,
• prędkość powietrza w pomieszczeniu wynosi maksymalnie 1 m/s,
• ciśnienie cząstkowe pary wodnej w pomieszczeniu nie przekracza 2700 Pa,
• wydatek energetyczny osób przebywających w danym pomieszczeniu mieści się w zakresie 0,8-4,0 met (46,6232,8 W/m²),
• izolacyjność cieplna odzieży to maksymalnie 2 clo.

Wskaźnik PMV, odzwierciedlający średnią ocenę danego środowiska cieplnego przez oceniającą grupę osób, podaje się w skali liczbowej z przyporządkowaniem odpowiedniego, subiektywnego odczucia cieplnego. I tak:

• (+3) gorąco,
• (+2) ciepło,
• (+1) lekko ciepło,
• (0) neutralnie,
• (-1) lekko chłodno,
• (-2) chłodno,
• (-3) zimno.

Środowisko o umiarkowanym mikroklimacie, którego dotyczy norma [6], to takie, w którym: -2 < PMV < 2. W tym zakresie wartość parametru PMV można obliczyć z poniższej zależności [6]:

Obliczanie wartości wskaźnika PPD. Po obliczeniu wartości PMV można określić wartość PPD, czyli procentowy udział osób, które będą niezadowolone z panujących w badanym środowisku warunków cieplnych. Obliczenia przeprowadza się zgodnie z poniższym wzorem [6]:

Graficzną relację tych dwóch parametrów, PMV i PPD, pokazano na rys. 1. Jak widać, nawet gdy wartość PMV wynosi 0, a więc są zapewnione możliwie najlepsze warunki komfortu cieplnego dla największej liczby osób, to i tak występuje pewien odsetek osób niezadowolonych, wynoszący PPD = 5%.

! Niezależnie od tego, jakie będą warunki mikroklimatu w danym pomieszczeniu, przy odpowiednio dużej liczbie przebywających tam osób zawsze pojawią się takie, które odczuwają dyskomfort cieplny.

Wyznaczanie optymalnej temperatury w pomieszczeniu. W oparciu o przytoczone zależności obliczeniowe i zakładając, że parametr PMV = 0, można wyznaczyć optymalne wartości temperatury w pomieszczeniu dla różnych wartości met i clo. Jeśli dodatkowo założy się określone wartości tych dwóch ostatnich parametrów, np. odpowiadające pracy biurowej danej osoby, ubranej typowo do tego rodzaju pracy i wykonującej pracę w środowisku o typowej wartości wilgotności względnej, to otrzyma się jedną, optymalną wartość temperatury operatywnej.

Na przykład, jeśli clo = 1,0, met = 1,1-1,2, var < 0,1 m/s, φi = 50%, wartość temperatury operatywnej kształtuje się na poziomie około 22°C. Z kolei w sytuacji odpoczynku w pozycji siedzącej, tj. dla met = 1,0, oraz dla tych samych wartości pozostałych parametrów, otrzymuje się optymalną temperaturę na poziomie około 23°C.

Jak wskazuje wzór (6), przytoczony i opisany w pierwszej części cyklu („PI” 10/2022), optymalną temperaturę operatywną można uzyskać przez różne kombinacje temperatury powietrza i promieniowania:

! Należy jednak pamiętać, że zbyt duża asymetria wartości temperatury powietrza i promieniowania nie pozwoli na uzyskanie optymalnej wartości PMV, nawet jeśli wynikowa wartość temperatury operatywnej będzie równa wartości wymaganej.

Na przykład, biorąc za punkt odniesienia kategorię B pomieszczenia (tabela 1), dla której -0,5 < PMV < 0,5, dopuszczalne wahania temperatury operatywnej to ±2,0°C w stosunku do temperatury wymaganej. Jeśli ta wynosi np. 22°C, to dopuszczalna wartość temperatury operatywnej mieści się w zakresie 20-24°C. W oparciu o ten przedział i zgodnie ze wzorem (6), można utworzyć zestaw dopuszczalnej zmienności temperatury promieniowania i temperatury powietrza. Jeśli założy się, że różnica między poszczególnymi temperaturami jest mniejsza niż 4°C, wzór ten upraszcza się do postaci, w której występują tylko temperatury, jak podano przy jego opisie. Wówczas zakres dopuszczalnych temperatur będzie prezentował się tak jak na rys. 2.

Znając już te wszystkie zależności i optymalne zakresy parametrów komfortu cieplnego, warto sobie zadać pytanie, na ile słuszne jest np. twierdzenie, że optymalna temperatura w pomieszczeniu np. podczas snu to 16°C, które to zalecenie jest dość często spotykane.

Optymalne temperatury w pomieszczeniach a krajowe wymagania prawne
Co zapisano w Warunkach Technicznych i polskich normach? Krajowe wytyczne wskazujące wartości temperatury, jakie muszą być zapewnione w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi (w tym – pomieszczeniach mieszkalnych), zapisane są w popularnych Warunkach Technicznych [7]. Wymagania te zaczerpnięte zostały z archiwalnej Polskiej Normy [3] i podano je w tabeli 2.

Norma [3] wskazuje ponadto konieczność uwzględniania wpływu temperatury promieniowania na temperaturę odczuwaną. Zgodnie z nią, temperatura tix w pomieszczeniach budynków mieszkalnych i biurowych, przy odbiorze urządzenia ogrzewania, powinna wynosić, w [°C]:

• przy stosowaniu grzejników konwekcyjnych i płytowych:
• przy jednej przegrodzie chłodzącej t_ix = t_i ,
• przy dwóch przegrodach chłodzących t_ix = ti + 1,
• przy trzech przegrodach chłodzących t_ix = t_i + 2,
• przy czterech przegrodach chłodzących t_ix = t_i + 3;
• przy stosowaniu grzejników płaszczyznowych t_ix = t_i – 1”.

Optymalne przedziały temperatury były podane także w archiwalnej polskiej normie [5]. Definiowała ona parametry – w zakresie temperatury powietrza, wilgotności względnej i prędkości ruchu powietrza – dla trzech przypadków, zależnie od tempa metabolizmu:

• przy małym tempie metabolizmu (np. szycie, księgowanie, pisanie na maszynie):
  – temperatura powietrza w pomieszczeniach zimą: 20-22°C, latem: 23-26°C,
  – wilgotność względna zimą (niezależnie od aktywności fizycznej): 40-60%, latem: 40-55%,
  – prędkość ruchu powietrza zimą: do 0,2 m/s, latem: do 0,3 m/s;
• przy średnim tempie metabolizmu (np. wbijanie gwoździ, tynkowanie):
  – temperatura powietrza w pomieszczeniach zimą: 18-20°C, latem 20-23°C,
  – wilgotność względna latem: 40-60%,
  – prędkość ruchu powietrza zimą: do 0,2 m/s, latem: do 0,4 m/s;
• przy dużym tempie metabolizmu (np. przenoszenie ciężkich przedmiotów):
  – temperatura powietrza w pomieszczeniach zimą: 15-18°C, latem: 18-21°C,
  – wilgotność względna latem: 40-60%,
  – prędkość ruchu powietrza zimą: do 0,3 m/s, latem: do 0,6 m/s.

Jak można wywnioskować z danych zawartych w tabeli 2, najczęściej występujące wartości temperatury to 20 i 24°C, odnoszące się do pomieszczeń typu pokój, salon, sypialnia, kuchnia, łazienka. Jednak wartości te zmieniły się na przestrzeni lat – wzrosły. W tabeli 3 zestawiono wymagania w tym zakresie dla wszystkich poprzednich wersji normy [3].

Dysproporcje wobec warunków optymalnych. Analizując polskie regulacje prawne i zapisy normowe, widać, że wymagane i zalecane wartości temperatury nie korespondują z optymalnymi temperaturami komfortu cieplnego i są od nich niższe. Ponadto zapisy te nie rozróżniają temperatury operatywnej, powietrza czy promieniowania, i zwykle odnoszą się do temperatury powietrza. Różnice, jeśli wziąć pod uwagę subiektywne odczucia osób przebywających w danych warunkach, mogą być znaczące.

Przykładowo, jeżeli założymy, jak poprzednio, że clo = 1,0, met = 1,0, v_ar < 0,1 m/s i φ_i = 50%, co odpowiada sytuacji osoby odpoczywającej w pozycji siedzącej i przeciętnie ubranej, a na to nałożymy warunek przebywania w pokoju, to – zgodnie z polskim prawem – wymagana temperatura wynosi ti = 20°C. Obliczając w oparciu o te parametry wskaźniki PMV i PPD, uzyskuje się wartości PMV = -0,85 i PPD = 20,25%, czyli dalekie od warunków optymalnych. Ponadto, zgodnie z tabelą 1, taka wartość temperatury oznacza, że dane pomieszczenie zalicza się do najniższej kategorii (kategoria C) z punktu widzenia zapewniania komfortu cieplnego.

Taki stan rzeczy ma swoje konsekwencje, ale nie tylko negatywne. Abstrahując od tego, że w praktyce najczęściej użytkownicy i tak dążą do uzyskiwania wyższych temperatur (polecam teraz czytelnikom sprawdzenie wskazania na termometrze w swoim pokoju), skutki można opisać jako:

• ergonomiczne (w tym przypadku – negatywne), czyli:
  – obniżona kategoria cieplna pomieszczenia,
  – zwiększony odsetek osób niezadowolonych z warunków mikroklimatu pomieszczenia,
  – konieczność stosowania dodatkowego ubioru;
• ekonomiczne (w tym przypadku – pozytywne), czyli:
  – obniżenie kosztów inwestycyjnych instalacji – niższa temperatura wewnętrzna skutkuje mniejszym projektowym obciążeniem cieplnym, a zatem także mniejszą wymaganą mocą cieplną źródła ciepła (np. kotła) oraz grzejników, co obniża cenę zakupu tych urządzeń,
  – obniżenie kosztów eksploatacyjnych instalacji – możliwość dostarczenia mniejszej mocy do obiektu pozwala zredukować koszty paliwa, jak również koszty energii elektrycznej napędzającej pompę obiegową w instalacji.

Ile można zaoszczędzić na redukcji temperatury?
Na ten temat można znaleźć sporo informacji w internecie i prasie branżowej, najczęściej wskazujących, że oszczędności wynoszą kilka procent na każdy 1°C obniżenia temperatury. Czasem pojawiają się wartości nawet powyżej 10%, chociaż nie są one poparte obliczeniami czy choćby szacunkami. Abstrahując od wiarygodności takich informacji, warto zauważyć, że odnoszą się one tylko do oszczędności eksploatacyjnych, a nie inwestycyjnych.

Aby określić całościowe oszczędności, tj. zarówno inwestycyjne, jak i eksploatacyjne, należy wykonać indywidualne obliczenia dla danego obiektu. Co naturalne, oszczędności takie wynikają z tego, jakie są temperatury zewnętrze. Już choćby z tego wynika, że oszczędności będą różne dla różnych lokalizacji budynku (nawet takiego samego), czyli będą zależeć m.in. od tego, w jakiej strefie klimatycznej budynek się znajduje.

! Strefa klimatyczna warunkuje zarówno wartość tzw. temperatury projektowej, tj. najniższej temperatury zewnętrznej przyjmowanej do obliczeń, jak i średniosezonowej temperatury zewnętrznej, tj. wartości uśrednionej dla całego sezonu ogrzewczego. To właśnie wartości tych temperatur wpływają na koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Koszty inwestycyjne zależą przede wszystkim od temperatury projektowej, gdyż do niej dopasowuje się wielkość/ moc urządzeń (kotły, grzejniki, pompy), a tym samym ich koszt. Z kolei koszty eksploatacyjne zależą przede wszystkim od temperatury średniosezonowej, ponieważ ma ona bezpośredni wpływ na ilość spalonego paliwa i zużytej energii.

Koszty te są w przybliżeniu proporcjonalne do różnicy temperatur projektowych – zewnętrznej i wewnętrznej. Na przykład dla III strefy klimatycznej w Polsce (strefa pośrednia) i lokalizacji krakowskiej, dla której temperatura projektowa to t_e = -20°C, a średnioroczna temperatura w sezonie ogrzewczym to tem = 3,12°C (obliczona zgodnie z danymi meteorologicznymi zawartymi w archiwalnej polskiej normie [4]), redukcja projektowej temperatury wewnętrznej o 2°C, z t_i = 22°C do t_i = 20°C, skutkuje redukcją kosztów eksploatacyjnych na poziomie:
{[(22 – 3,12) – (20 – 3,12)]/(22 – 3,12)}∙100% = 10,6%.
Jest to około 5%/°C.
Redukcja projektowego obciążenia cieplnego wynosi: {[(22 – (-20)) – (20 – (-20))]/(22 – (-20)}∙100% = 4,8%.

Rzeczywiste różnice w danym roku będą zależeć od aktualnych warunków pogodowych i faktycznej średniorocznej temperatury w danym sezonie ogrzewczym. Przyjęte do obliczeń wartości są zgodne z obowiązującym stanem prawnym, ale – co jest zauważalne w ostatnich latach – średnioroczne i minimalne temperatury, nie tylko w Polsce, rosną. Wynika z tego, że faktyczne oszczędności z powodu redukcji temperatur wewnętrznych będą niższe od tych, które obliczane są w oparciu o te przepisy.

Materiały źródłowe:
[1] Fanger P.O.: „Komfort cieplny”, Arkady, Warszawa 1974
[2] Fanger P.O.: “Thermal Comfort. Analysis and Applications in Environmental Engineering”, Danish Technical Press, Copenhagen 1970
[3] Polska Norma PN-82/B-02402: Ogrzewnictwo. Temperatury ogrzewanych pomieszczeń w budynkach
[4] Polska Norma PN-B-02025:2001: Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego
[5] Polska Norma PN-B-03421:1978: Wentylacja i klimatyzacja. Parametry obliczeniowe powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi
[6] 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
[7] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 02.75.690 z późn. zm.)

* 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” oraz w „PI” 3/2023 – cz. II „Parametry indywidualne wpływające na odczucie komfortu cieplnego”.