1

Uwaga: Materiały chronione prawem autorskim.
Materiały pomocnicze do przedmiotów Fizyka Budowli i Fizyka Budowli II prowadzonych przez autora na Wydziale Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej. Materiały
mogą być wykorzystane wyłącznie przez słuchaczy kursów prowadzonych przez autora. Inne wykorzystanie jest prawnie zastrzeżone. Materiały stanowią uzupełnienie treści oma-
wianych bezpośrednio na zajęciach. Materiały w całości ani we fragmentach nie mogą być powielane ani rozpowszechniane za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych,
kopiujących lub jakichkolwiek innych bez pisemnej zgody autora. Materiały nie zastępują aktów prawnych i nie mogą służyć jako jedyna podstawa wykonywania obliczeń. Autor doło-
żył należytych starań w trakcie opracowywania materiałów, jednak nie gwarantuje braku błędów.

Materiały pomocnicze do Fizyki Budowli

Komfort cieplny

Sławomir Dobrowolski

Katedra Budownictwa i Inżynierii Materiałowej

Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska

Politechnika Gdańska

2

2. Komfort cieplno-wilgotnościowy człowieka

Przez komfort cieplny należy rozumieć stan zadowolenia z warunków cieplnych otoczenia.
Czynnikami komfortu cieplnego wpływającego na stan samopoczucia i zdrowia człowieka są:

•

temperatura powietrza,

•

prędkość ruchu powietrza,

•

średnia temperatura otaczających powierzchni,

•

natężenie promieniowania cieplnego od źródeł temperaturowych,

•

wilgotność powietrza,

•

poziom jonizacji powietrza,

•

stężenie CO

2

.

Odczucia cieplne człowieka odnoszą się do równowagi cieplnej całego ciała, na którą mają wpływ:

•

aktywność fizyczna człowieka,

•

rodzaj odzieży,

•

parametry środowiska:

-

temperatura powietrza,

-

średnia temperatura promieniowania (otaczających powierzchni),

-

prędkość ruchu powietrza,

-

wilgotność powietrza.

2.1. Klimat zewnętrzny

Powierzchnię Polski podzielono na pięć stref klimatycznych. Każdej przypisano minimalną temperaturę
powietrza. Podział ten jest przydatny przy projektowaniu ogrzewania budynków.

Rys. 2.1. Podział terytorium Polski na strefy klimatyczne [PN-EN ISO 12831]

Minimalne oraz średnie roczne temperatury powietrza zewnętrznego przedstawiono w tabl. 2.1.

3

Tabl. 2.1. Temperatury zewnętrzne

Strefa

Minimalna

[

0

C]

Średnia roczna

[

0

C]

I

-16

7,7

II

-18

7,9

III

-20

7,6

IV

-22

6,9

V

-24

5,5

W tabl. 2.2 przedstawiono trzydziestoletnie średnie miesięczne temperatury zewnętrznego powietrza dla stacji
meteorologicznych w Gdańsku, Elblągu i Helu.

Tablica 2.2. Średnie miesięczne temperatury zewnętrznego powietrza

stacja / miesiąc

I

II

III

IV

V

IX

X

XI

XII

Hel

0,0

0,2

2,6

6,1

9,7

13,3

9,2

4,6

2,5

Elbląg

-1,9

-2,0

1,6

6,4

11,7

13,1

7,8

3,2

0,1

Gdańsk Port Płn.

2,0

1,2

3,5

7,7

10,7

14,5

8,7

4,0

1,9

Typowy dobowy rozkład temperatury i wilgotności względnej powietrza przedstawiono na rys. 2.2.

Rys. 2.2. Temperatura i wilgotność powietrza w ciągu doby

w pomieszczeniu

na zewnątrz budynku

4

2.2. Bilans cieplny organizmu

S -

strumień ciepła związany ze wzrostem temperatury ciała

M -

strumień ciepła wytwarzany przez organizm w wyniku przemiany materii (metabolizm)

W -

strumień ciepła związany z wykonywaniem pracy zewnętrznej w stosunku do organizmu

E -

strumień ciepła traconego w wyniku odparowania wody

R -

strumień ciepła tracony przez wypromieniowanie do otoczenia

C -

strumień ciepła traconego na drodze konwekcji

Rys. 2.3. Zależność strumieni ciepła od temperatury powietrza.

Zależność wielkości strumienia ciepła od wykonywanej czynności pokazano w tablicy 2.3.

Tabl. 2.3. Zależność wielkości strumienia ciepła M od rodzaju wykonywanej czynności

Rodzaj czynności

M [W]

M

na 1 m

2

na 1,8 m

2

[met]

Siedzenie – wypoczynek

58,2

105,0

1,0

Leżenie

46,6

83,8

0,8

Spacer 3,2 km/h

116,4

209,5

2,0

Marsz 6,4 km/h

221,2

398,0

3,8

Paca biurowa

81,5

146,6

1,1 – 1,4

Praca w sklepie

116,4

209,5

2,0

Sprzątanie mieszkania, pranie

209,5

377,1

2,0 – 3,6

Piłowanie ręczne

279,4

502,8

4,0 – 4,8

Struganie ręczne

372,5

670,5

5,6 – 6,4

Łowienie ryb

116,4

209,5

1,2 – 2,0

Taniec towarzyski

256,1

460,9

2,4 – 4,4

Tenis

267,7

482,0

3,6 – 4,6

Koszykówka

442,3

796,2

5,0 – 7,6

Najczęściej stosowane skale oceny komfortu cieplnego przedstawiono w tablicy 2.4.

S = M - W ± E ± R ± C

[

W

m

2

]

5

Tabl. 2.4. Skala komfortu cieplnego

Bedforda

ASHRAE

PMV

PN-EN ISO 7730

Za gorąco

(much too warm)

gorąco

(hot)

gorąco

+3

Zbyt ciepło

(too warm)

ciepło

(warm)

ciepło

+2

Przyjemnie ciepło

(comfortably warm)

lekko ciepło

(slighty warm)

nieznacznie ciepło

+1

Przyjemnie

(comfortable)

ani za ciepło, ani za

zimno (neutral)

neutralnie

0

Przyjemnie chłodno

(comfortably cool)

lekko chłodno

(slighty cool)

nieznacznie chłodno

-1

Za chłodno

(too cool)

chłodno

(cool)

chłodno

-2

Za zimno

(much too cool)

zimno

(cold)

zimno

-3

Wskaźnik PMV (przewidywana średnia ocena) przewiduje średnią ocenę dużej grupy ludzi (1000)
określających swoje wrażenie cieplne w siedmiostopniowej skali ocen. W optymalnych dla dużej grupy
ludzi warunkach statystystycznie zawsze zajdzie się pewna grupa niezadowolonych. Typowy wykres
przewidywanego odsetka niezadowolonych w grupie jako funkcji średnej oceny komfortu przedstawiono na
rys. 2.4.

Rys. 2.4

6

Obszary odczuć komfortowych pokazano na rys. 2.5.

Rys. 2.5

Odczucie komfortu cieplnego zależy również od rodzaju odzieży i rodaju wykonywanych czynności.
W tablicy 2.5 przedstawiono wartości oporności cieplne przykładowych elementów odzieży. Na rys. 2.6
pokazano zależność optymalnych temperatur powietrza w funkcji rodzaju czynności i odzieży.

Tablica 2.5.

Nazwa

Izolacyjność cieplna l

s

[clo]

Nazwa

Izolacyjność cieplna l

s

[clo]

Podkoszulek

0,07

Spódnica gruba

0,22

Bluza

0,20

Sukienka letnia

0,17

Ciepła koszula

0,23

Sukienka gruba

0,63

Cienki sweter

0,25

Halka

0,15

Gruby sweter

0,37

Rajstopy

0,10

Pulower

0,17

Półbuty

0,04

Podomka

0,40

Skarpety

0,03

Marynarka

0,30

Majtki

0,05

Spodnie lekkie

0,26

Pas do pończoch

0,04

Spodnie grube

0,32

Spodenki

0,05

Spódnica lekka

0,10

Kalesony

0,20

7

Rys. 2.6. Optymalne temperatury powietrza w funkcji rodzaju czynności i odzieży

2.3. Ruch powietrza

Odczucie komfortu zależy od wzajemnej relacji prędkości ruchu powietrza i różnicy pomiędzy jego tempera-

turą a temperaturą skóry człowieka. W tablicy 2.6 przedstawiono orientacyjne efekty ruchu powietrza.

8

Tabl. 2.6. Efekty ruchu powietrza

Prędkość

ruchu

m/s

Rodzaj ruchu

Spostrzeżenia

<0,l

powietrze spokojne

najczęściej spotykane

w typowych polskich mieszkaniach

0,2

próg zdecydowanych odczuć

prędkość naturalnego strumienia

konwekcyjnego wokół głowy

0,25-0,5

ruch umiarkowany

ruch odczuwany;

firanki lekko się ruszają

0,5-1,0

ruch odświeżający

włosy falują

1,0-2,0

lekki wietrzyk

kartki papieru spadają ze stołu;

prędkość normalnego chodu

2.4. Wilgotność powietrza

Organizm ludzki charakteryzuje się dużą tolerancją na zmiany wilgotności powietrza. Na rys. 2.7 pokazano

zakres komfortu wilgotnościowego.

Rys. 2.7. Zależność odczucia komfortu od wilgotności względnej powietrza

Proponowane na podstawie przeprowadzonych badań normy mikroklimatu cieplnego pokazano w tabl. 2.7.

9

Tabl. 2.7. Proponowane normy termiczne mikroklimatu

Elementy mikroklimatu

Wartości graniczne

Temperatura powietrza, °C

-

w pokojach, kuchniach, przedpokojach

-

w toaletach i łazienkach

20-22 powyżej 22

Temperatura powierzchni przegrody, °C

-

we wszystkich pomieszczeniach niższa od temperatury powietrza

odpowiednio nie więcej niż o

3

Prędkość ruchu powietrza, m/s - we wszystkich pomieszczeniach

poniżej 0,15

Wilgotność względna powietrza, %

-

w pokojach, kuchniach, przedpokojach

-

w toaletach i łazienkach średnio

40-60 poniżej 70

2.5. Oddziaływanie dwutlenku węgla na organizm człowieka

Efekty odziaływania dwutlenku węgla na organizm człowieka przedstawiono w tabl. 2.8.

Tabl. 2.8. Efekty oddziaływania CO

2

na człowieka

Stężenie CO

2

ppm, %

Efekt działania na organizm ludzki

350 – 450 ppm

Świeże powietrze atmosferyczne, idealne warunki

Poniżej 600 ppm

Akceptowalne warunki świeżości powietrza w pomieszczeniach
mieszkalnych/biurowych

Poniżej 1000 ppm, 0,10%

Wymóg minimum higienicznego, skala Pettenkofera

10 000 ppm 1,00%

Lekki wzrost częstości oddychania

15 000 ppm 1,50%

Maksymalna tolerowana dawka dla pracowników w specyficznych
warunkach, pod kontrolą medyczną: browary, łodzie podwodne,
statki kosmiczne

2,00%

Pogłębiony oddech, wzrost częstości oddychania o ok. 50%,
ekspozycja przez kilka godzin powoduje bóle głowy i uczucie
zatrucia

3,00%

Utrudnione oddychanie, ok. dwukrotny wzrost częstości oddychania,
efekty podobne do działanie słabego narkotyku, tj. osłabienie słuchu,
ból głowy, wzrost ciśnienia krwi i częstotliwości pulsu

4,00% - 5,00%

Wyraźnie pogłębiony oddech, czterokrotny wzrost częstości
oddychania, po ok. 30 minutach ekspozycji może pojawić się
odczucie braku swobody oddychania

5,00% - 10,00%

Dwutlenek węgla przybiera ostry zapach podobny do wody sodowej,
oddychanie wymaga zwiększonego wysiłku, ból głowy, zaburzenia
widzenia, dzwonienie w uszach, po kilku minutach ekspozycji może
nastąpić utrata przytomności

Powyżej 10,00% do 100,00%

Gwałtowna i szybka utrata przytomności, przedłużająca się
ekspozycja prowadzi do śmierci przez uduszenie

10

Tabl. 2.9. Ilość wydychanego powietrza przez człowieka

Rodzaj czynności

Ilość wydychanego CO

2

W czasie odpoczynku w pozycji leżącej

10 – 12 l/h

W pozycji siedzącej

12 – 15 l/h

Lekka praca biurowa

19 – 24 l/h

Praca średniociężka, gimnastyka

33 – 43 l/h

Taniec, tenis

55 – 70 l/h

Tabl. 2.10. Minimalna ilość powietrza wentylacyjnego

Podstawa wymagań

Strumień powietrza odniesiony do jednej osoby,

m³/h osobę

CR EU 1752 Klasa A

Klasa B

Klasa C

36

25,2

14,4

ASHRAE 62-2001

36

PN–83/B-03430/Az3:2000

30