Pokročilé riadenie vykurovacích a chladiacich plôch podľa meradiel tepelnej pohody

V súčasnosti sa vynakladajú nemalé finančné prostriedky na technické a stavebné opatrenia znižujúce energetickú náročnosť budov. V dôsledku týchto opatrení je však ďalšie znižovanie spotreby energie vykúpené veľkou finančnou náročnosťou. Projekt s názvom Pokročilé riadenie vykurovacích a chladiacich plôch podľa meradiel tepelnej pohody reaguje na súčasnú situáciu, kedy sa v budovách používajú rôzne typy vykurovacích a chladiacich plôch, vhodných vďaka dnešnému rozvoju aj pre obnoviteľné zdroje energie. Systém merania parametrov tepelného prostredia však pracuje naďalej na pôvodnom princípe termostatov pre vykurovacie telesá, teda bez zmien. Z tohto pohľadu sa ponúka veľký potenciál na jeho ďalší vývoj.

Hlavným cieľom projektu je navrhnúť a overiť funkciu takzvanej virtuálnej teploty vzduchu, ktorá dobre zachytí vlastnosti vykurovacej alebo chladiacej plochy, zvyklosti človeka a parametre okolitého prostredia (interiéru a exteriéru). Integrácia tejto funkcie do regulátorov prinesie zníženie spotreby energie a zlepšenie kvality vnútorného prostredia bez výrazných dodatočných nákladov.

Ďalším prínosom bude zlepšenie riadenia vykurovacích a chladiacich plôch (zvýšenie účinnosti v reakcii na zmeny okolitého prostredia alebo na zmeny požiadaviek užívateľov) a zlepšenie tepelnej pohody v miestnosti. V prvej fáze projektu sa vykonala analýza dát výsledkov objektívnych meraní a subjektívnych hodnotení tepelnej pohody, ktorá je nevyhnutná na identifikáciu kľúčových parametrov na formuláciu funkcie virtuálnej teploty.

Stanovenie optimálnych parametrov prostredia (na dosiahnutie tepelnej pohody) je dôležité jednak z dôvodu minimalizácie energetickej náročnosti a zároveň aj z hľadiska tvorby zdravého vnútorného prostredia. Tento článok sa zameriava na posúdenie subjektívneho vnímania tepelného prostredia a zhŕňa časť výsledkov realizovanej analýzy dát.

Tá vychádza z nameraných a získaných dát z rozsiahleho experimentu so skupinou 24 osôb, ktoré v daných laboratórnych podmienkach subjektívne hodnotili tepelný komfort pri rôznych systémoch vykurovania a pri rôznom nastavení požadovanej teploty bežne dodávaným regulátorom [1].

Experiment

Testovacia dvojkabína

Meranie prevádzky a hodnotenie jednotlivých typov vykurovacích plôch prebiehalo v jednej z dvoch kabín paralelnej testovacej dvojkabíny s riadeným okolitým prostredím. Dvojkabína je zložená z dvoch paralelných kabín, ktoré sú oddelené vnútornou tepelnoizolačnou priečkou. Vnútorné rozmery jednej kabíny sú
4,4 × 3,1 × 2,85 m. Hodnoty súčiniteľa prestupu tepla obvodovým plášťom kabíny sú takéto:

• podlaha: U = 0,132 W/(m² . K),
• strop: U = 0,103 W/(m² . K),
• steny do „exteriéru“: U = 0,134 W/(m² . K),
• okno: U = 1,200 W/(m² . K),
• dvere: U = 1,200 W/(m² . K).

Tepelné prostredie v susednej kabíne sa pri meraní udržiavalo na hodnotách podobných tým v meranej kabíne, takže počas merania nedochádzalo k významnejším tepelným tokom medzi kabínami. V okolitom prostredí kabíny, v tzv. medzipriestore, ktorý simuloval vonkajšie prostredie, bola nastavená teplota vzduchu na testovanie vykurovacích plôch (zimné prostredie) na -12 °C.

Opis merania

Na meranie a hodnotenie tepelného komfortu sa vybrali štyri priamovýhrevné elektrické systémy vykurovania – keramický panel, konvektor, podlahové vykurovanie a stropné vykurovanie (stropná fólia). Na každom z týchto typov vykurovacích plôch sa vykonali experimenty s nastavením rôznych teplôt priestorového termostatu. Priestorový termostat s pulzne šírkovou moduláciou PWM riadil vykurovacie systémy na základe teploty vzduchu v miestnosti.

Jednotlivé experimenty sa realizovali po ustálení tepelného prostredia na požadovanú hodnotu. Tepelné prostredie sa skúmalo pri troch ustálených teplotných úrovniach, z ktorých jeden stav bol optimálny na daný vykurovací systém, stanovený na základe predchádzajúcich experimentov a hodnotení termálnym manekýnom [3]. Nastavenie termostatu pre jednotlivé merania je uvedené v tab. 1.

Vnímanie určitého tepelného prostredia človekom ovplyvňuje celý rad faktorov, ktorými sú najmä aktivita, oblečenie, vek, pohlavie a psychický stav. S ohľadom na zameranie experimentov na zistenie rozdielov vnímania tepelného prostredia medzi jednotlivými vykurovacími systémami sa experimenty vykonávali opakovane na skupine 24 osôb (subjektov) v rovnakej vekovej kategórii, s rovnakým odevom a aktivitou v paritnom zastúpení mužov a žien.

Eliminácia vplyvu okamžitého zdravotného a psychického stavu sa zabezpečila zvoleným počtom testovaných osôb, trikrát opakovaným zberom dát počas každého experimentu a zberom medicínskych dát. Kombinácia štyroch vykurovacích systémov pri troch nastavených teplotách, trikrát po sebe hodnotených 24 subjektmi viedla k vykonaniu 288 experimentov, z ktorých sa získalo spolu 864 dátových viet obsahujúcich všetky sledované veličiny a údaje z dotazníka [1].

Merané veličiny
Počas každého experimentu v trvaní 90 minút sa vykonávalo v klimatickej dvojkabíne meranie týchto veličín:

• teplota vzduchu t_a,1-4 (v štyroch výškových úrovniach),
• výsledná teplota guľového teplomera tg uprostred miestnosti vo výške brucha sediaceho človeka (t. j. 0,6 m nad zemou),
• relatívna vlhkosť RH,
• atmosférický tlak p_a,
• povrchové teploty konštrukcií v klimatickej dvojkabíne t_p,
• rýchlosť prúdenia vzduchu v_a,
• hladina akustického tlaku,
• hladina osvetlenia (intenzita osvetlenia),
• koncentrácia CO₂,
• teplota okolia klimatickej dvojkabíny t_e.

Zároveň sa realizovalo:

• dotazníkové šetrenie vnímania tepelnej pohody osôb zúčastnených na experimente (3× počas každého merania),
• monitorovanie tepovej frekvencie a povrchových teplôt (na piatich častiach tela) osôb zúčastnených na experimente.

Zabezpečila sa aj fotodokumentácia oblečenia subjektu a súčasne prebiehalo online video/audioprenos priebehu experimentu slúžiaci na komunikáciu operátora so subjektom a na kontrolu dodržiavania aktivity.

Analýza dát

Hodnotenie tepelného komfortu sa dá zjednodušene rozdeliť na dve základné skupiny – na objektívne a subjektívne hodnotenie tepelného komfortu. Objektívne metódy vychádzajú z výsledkov meraní fyzikálnych veličín, ktoré určujú stav vnútorného prostredia, subjektívne metódy sú založené na zisťovaní subjektívnych pocitov osôb obývajúcich hodnotený priestor (dotazníkové šetrenie) [2]. Analýza dát je zameraná na výsledky opisujúce koreláciu objektívneho a subjektívneho hodnotenia tepelného komfortu daného priestoru.

Štatistika – testovanie hypotéz

Testovanie štatistických hypotéz umožnilo posúdiť, či sú dáta získané experimentálne od mužov a žien (subjektívne hodnotenie) navzájom štatisticky významné alebo nie (či ich možno použiť v súbore 24 osôb, alebo či je nutné tieto dáta deliť podľa pohlavia).

Na toto zistenie sa použilo vyhodnotenie pomocou tzv. dvojvýberového nepárového F testu a ďalej dvojvýberového nepárového T testu. Na základe výsledkov týchto testov možno usúdiť, že pravdepodobnosť nulovej hypotézy o zhode mediánov oboch súborov je vysoká, z čoho vyplýva, že rozdiel medzi mediánmi skúmaných súborov je štatisticky nevýznamný a rozdielnosť skupín nemá významný vplyv na výsledky realizovaných experimentov.

Subjektívne vnímanie tepelného komfortu vs objektívne vypočítaný index PMV

Predmetom tejto časti analýzy dát bolo porovnať výsledok vypočítanej hodnoty indexu stredného tepelného pocitu (PMV) a výsledok subjektívneho vnímania tepelného komfortu z dotazníkového prieskumu.

Objektívne vypočítaný index PMV
Index PMV ukazuje stredný tepelný pocit na základe odovzdaných hlasov veľkej skupiny osôb, ktoré hodnotia svoj pocit pomocou sedembodovej stupnice tepelných pocitov (+3 veľmi teplo, +2 teplo, +1 mierne teplo, 0 neutrálny pocit, -1 mierne chladno, -2 chladno, -3 zima) založenej na tepelnej rovnováhe ľudského tela.

Index PMV možno vypočítať pri rozličných kombináciách metabolizmu, izolácie odevu, teploty vzduchu, strednej radiačnej teploty, rýchlosti prúdenia vzduchu a vlhkosti vzduchu pri podmienkach ustáleného stavu. Aby bolo možné porovnať výsledky objektívneho indexu PMV a subjektívneho vnímania, bolo treba stanoviť hodnotu metabolizmu testovaných osôb a tepelný odpor ich odevu.

Hodnota metabolizmu
Hodnota metabolizmu je podľa normy ČSN EN ISO 7730 Metabolizmus na činnosť v sede (kancelária, škola, obydlie a pod.) 70 W/m², čo pri ploche priemernej osoby 1,8 m² zodpovedá výkonu cca 130 W [4].

Tepelný odpor odevu
Tepelný odpor odevu alebo izolácia odevu (Icl) sa môže odhadnúť z údajov uvedených v norme ČSN EN ISO 9920 Ergonómia tepelného prostredia – Hodnotenie tepelnej izolácie odevu a odporu odevu proti odparovaniu [5], alebo sa môže vypočítať na základe empirického vzorca uvedeného v tejto norme. Osoby zúčastnené na experimente mali na sebe spodnú bielizeň, nohavice, tričko a slabý sveter alebo mikinu.

Hodnoty tepelného odporu boli v rozsahu lcl = 0,6 až 0,8 clo = 0,093 m².K/W až 0,124 m².K/W. Výsledky v grafe na obr. 2 sú zaznamenané pri všetkých vykurovacích telesách a pri troch nastavených teplotách. Rôzne teploty sú znázornené odlišnou farbou značky (modrá značka = T-, zelená značka = T_OPT, červená značka = T+).

Na vodorovnej osi grafu je vypočítaná hodnota PMV na základe nameraných veličín (teplota vzduchu, rýchlosť prúdenia vzduchu atď.), tepelného odporu odevu a hodnoty metabolizmu osôb pri jednotlivých experimentoch. Na zvislej osi je subjektívne vyjadrenie tepelného pocitu „je mi veľmi zima (1)/je mi veľmi teplo (100)“ vyznačením hodnoty od 1 do 100.

Z grafu je zrejmé, že vypočítaný index PMV sa zhoduje so subjektívnym vnímaním tepla v danom priestore. Spojnica trendu má hodnoty subjektívneho pocitu 50 (neutrálny stav = tepelná pohoda) pri hodnote PMV
= -0,0495, čo je hodnota veľmi blízka predpokladanej hodnote 0.

Z toho vyplýva, že subjektívne hodnotenie osôb skutočne zodpovedá objektívnemu hodnoteniu daného priestoru pomocou tradičného modelu tepelnej pohody vyjadreného indexom PMV. Táto analýza potvrdila zhodu subjektívneho vnímania tepelného komfortu s výpočtom indexu PMV v oblasti tepelného komfortu s prekvapivou presnosťou [1].

Optimálna teplota vzduchu – subjektívne hodnotenie
Skutočná optimálna teplota vzduchu v rámci jednotlivých vykurovacích systémov sa stanovila zo závislosti subjektívneho pocitu tepelného komfortu (dotazníkové šetrenie počas experimentu) a objektívne nameranej teploty vzduchu T_a,OPT (meraná teplota vzduchu vo výške 0,6 m nad podlahou) počas experimentu.

Každá hodnotená vykurovacia plocha má rôzny podiel zdieľania tepla sálaním a prúdením, preto treba na dosiahnutie rovnakej výslednej teploty rôznu teplotu vzduchu [2]. Na vodorovnej osi grafu na obr. 3 je zodpovedanie subjektívnej dotazníkovej otázky hodnotením „je mi veľmi zima (1)/je mi veľmi teplo (100)“, na zvislej osi je znázornená nameraná teplota vzduchu T_a,OPT meraná v úrovni brucha sediacej osoby (0,6 m nad podlahou).

Z grafu je odvodená skutočná optimálna teplota pri jednotlivých systémoch: podlahové vykurovanie = 22,74 °C, konvektor = 22,67 °C, keramický panel = 22,24 °C, stropná fólia = 22,34 °C. Z výsledkov skutočnej optimálnej teploty je zrejmé, že ľuďom je najchladnejšie pri podlahovom vykurovaní (nepotvrdil sa predpoklad priaznivého pôsobenia teplej podlahy na celkový tepelný komfort).

Zaujímavým výsledkom je korelácia medzi neutrálnym stavom (50 % na vodorovnej osi = neutrálny stav = tepelná pohoda) a optimálnou teplotou vzduchu pri jednotlivých vykurovacích systémoch, ktorá vystihuje pôsobenie vyššej sálavej zložky pri keramickom paneli a pri stropnom vykurovaní. Z grafu na obr. 3 je zároveň zrejmý vplyv sálavých plôch s vyššou povrchovou teplotou, pri ktorých sa dosiahne tepelný komfort pri nižšej teplote vzduchu.

Hodnotenie tepelného komfortu na základe subjektívneho vnímania

Hodnotenie tepelného vnímania na základe subjektívneho hodnotenia je založené na porovnaní dvoch subjektívnych vyjadrení: „je mi veľmi zima (1)/je mi veľmi teplo (100)“ a v daný moment „cítim sa prejedený (1)/úplne hladný (100)“. Výsledky uvedené v grafe na obr. 4 sú zhrnuté zo všetkých experimentov pri meraní jednotlivých vykurovacích plôch, účasti mužov aj žien a pri rôznych teplotách (modrá značka = T-, zelená značka = TOPT, červená značka = T+).

Z grafu je zrejmé, že tepelná pohoda veľmi závisí aj od subjektívnych pocitov, ako sú hlad, smäd a podobne. Ak sa ľudia cítia príjemne (nepociťujú hlad), sú ochotní tolerovať aj mierny diskomfort a vyhodnocujú ho ako tepelnú pohodu. Ak však začnú pociťovať hlad, začnú aj tepelný diskomfort viac vnímať (naopak, pri pocite sýtosti pociťujú skôr mierne teplo).

Ako vnímajú ľudia subjektívne teplotu v danom prostredí?

Subjektívne vnímanie nastavenej teploty sa hodnotí na základe subjektívneho pocitu (dotazníkové šetrenie počas experimentu) a objektívne nameranej teploty vzduchu v miestnosti. Na vodorovnej osi grafu na obr. 5 je znázornená nameraná teplota vzduchu Ta počas jednotlivých experimentov, na zvislej osi sú uvedené hodnotenia: „V tejto chvíli sa mi zdá teplota v tejto miestnosti príjemná (1)/nepríjemná (100).“ Z grafu vyplýva, že s narastajúcou teplotou sú ľudia v danom priestore spokojnejší.

V grafe na obr. 6 sú zhrnuté výsledky subjektívneho vnímania tepelnej pohody pri nastavenej teplote vzduchu Ta (T-, T_OPT, T+). Graf ukazuje percento spokojných/nespokojných osôb s teplotou v danom prostredí (subjektívne hodnotenie – index PPD). Nato, aby ľudské telo zaznamenalo chlad, má k dispozícii 250-tisíc termoreceptorov, na zaznamenanie tepla 30-tisíc termoreceptorov.

Z toho je zrejmé, že ľudské telo skôr zaznamená pokles okolitej teploty než jej zvýšenie [2]. Z grafov na obr. 5 a 6 vyplýva, že spokojnosť osôb s daným prostredím stúpa v závislosti od rastu teploty. Čím je vyššia teplota v miestnosti, tým sú ľudia v danom prostredí spokojnejší. Výsledky dokazujú, že ľudia sú viac nespokojní v chladnejšom než v teplejšom prostredí.

Záver

Článok sa zaoberá adaptáciou človeka na dané tepelné prostredie a tiež vplyvom stavu prostredia (teplota) na stav človeka (subjektívne vnímanie). Počas experimentu sa sledovala len psychologická a fyziologická adaptácia osôb na dané tepelné prostredie v čase, keďže najčastejšia adaptácia správaním (úprava odevu, zmena činnosti a pod.) nebola počas experimentu možná z dôvodu nevyhnutnosti dodržať nemenné okrajové podmienky.

Z výsledkov jednotlivých grafov je zrejmé, že ľudia sú spokojnejší v teplejšom prostredí a nastavená optimálna teplota T_OPT je hodnotená ako neutrálna tepelná pohoda (príjemný pocit). Z grafov subjektívneho hodnotenia tepelného komfortu pri rôznych spôsoboch vykurovania vyplýva, že budovy s nízkou spotrebou energie sa správajú inak ako tradičné budovy.

Nižšie požadované výkony vykurovania sa pri kvalitnej regulácii prejavujú znížením povrchovej teploty predovšetkým pri podlahovom vykurovaní na takú úroveň, že ľudia prestávajú vnímať sálavú zložku. Z tohto dôvodu je pri tomto vykurovaní na dosiahnutie tepelného komfortu potrebná najvyššia teplota vzduchu zo všetkých testovaných systémov.

Z grafov ďalej vyplýva, že subjektívny pocit hodnotenia tepelnej pohody ovplyvňujú rozličné osobné faktory, ako napríklad únava osôb, ich nálada a ďalšie. Na subjektívnom vnímaní tepelnej pohody sa podieľajú aj ďalšie faktory prostredia (rýchlosť prúdenia vzduchu, vlhkosť vzduchu a pod.).

Vnímanie teploty je individuálna záležitosť, ktorá závisí od mnohých ukazovateľov – veku a pohlavia, okamžitého zdravotného i psychického stavu a mnohých ďalších. Vždy tak bude v danom prostredí existovať aj časť osôb, ktorá bude s tepelnou pohodou nespokojná.

Článok vznikol s podporou projektu TAČR TJ01000195 Pokročilé riadenie vykurovacích a chladiacich plôch podľa meradiel tepelnej pohody a programu NPU I č. LO1605.

Literatúra

1. Kabele, K. – Horváthová, J.: Felix – Subjektivní hodnocení tepelného komfortu při různých způsobech vytápění. Závěrečná zpráva. Praha, 2017. Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze.
2. Horváthová, J.: Vliv způsobu vytápění na kvalitu vnitřního prostředí. Praha, 2017. Disertační práce. České vysoké učení technické v Praze. Stavební fakulta.
3. Kabele, K. – Adamovský, D. – Horváthová, J. – Maierová, L.: Posouzení a měření parametrů tepelného komfortu při použití elektrických otopných ploch. Výzkumná zpráva. Praha, 2016. Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze.
4. ČSN EN ISO 7730, 2006. Ergonomie tepelného prostředí – Analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kritéria místního tepelného komfortu. Český normalizační institut.
5. ČSN EN ISO 9920, 2009. Ergonomie tepelného prostředí – Hodnocení tepelné izolace oděvu a odporu oděvu proti odpařování. Český normalizační institut, Praha.
6. Horváthová, J. – Kohoutková, A. – Nehasil, O. – Kny, M.: Průběžná zpráva – Pokročilé řízení otopných a chladicích ploch podle měřítek tepelné pohody. TAČR report. Praha, 2017. Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 4/2018.