Komplexní způsob hodnocení mikroklimatu budov na základě odezvy lidského organizmu – Část 2.2

Hodnocení tepelně-vlhkostního mikroklimatu z hlediska psychologie člověka

Nový způsob hodnocení tepelného stavu prostředí, založený na termálních hladinách operativní teploty v tzv. decithermech umožňuje hodnocení podle pocitů vnímaných člověkem.Vychází z vlivu prostředí na psychiku člověka popsaného Weber-Fechnerovým zákonem. Respektuje skutečnost, že pokles operativních teplot je pociťován tím nepříjemněji, čím jsou teploty nižší. Hodnocení v decithermech dále umožňuje porovnání s úrovní hluku v decibelech a s úrovní odérové konstituenty v deciodérech. Lze též posoudit například účinnost vytápěcích a chladicích zařízení i stav ohrožení lidského organizmu přehřátím (hyperhermií) nebo podchlazením (hypotermií). Nový způsob hodnocení tepelného stavu prostředí je součástí návrhu nového evropského standardu prEN 4666:2009 Aerospace Series, Aircraft integrated air quality and pressure standards, criteria and determination methods.

Recenzent: Vladimír Galád

2.2.1 Úvod

Prostředí se podílí více jak 70 % na diskomfortu při práci, tepelně-vlhkostní mikroklima samotné pak téměř 30 % (viz Úvod Části 1). Je zřejmá závažnost tepelně-vlhkostní konstituenty a správného posouzení její optimální úrovně. Posouzení je nutno provést jednak z hlediska fyziologie člověka (viz část 2.1), jednak s ohledem na jeho psychiku, tj. vytvořit takový způsob hodnocení tepelného stavu prostředí, který by co nejlépe vystihoval stav prostředí, jak je vnímán člověkem. To je předmětem této části.

Fyzikální kritérium interakce psychologie člověka a tepelně-vlhkostní konstituenty umožňuje stanovit zákon Weber-Fechnerův(WF) (viz též část 1):

kde

• R … odezva lidského organizmu (response)
• S … stimul (stimulus) prostředí, který odezvu vyvolává
• k … součinitel úměrnosti (proporcionality)

2.2.2 Návrh nového způsobu hodnocení

Pro tepelný stav prostředí lze tento zákon aplikovat ve tvaru

kde

• Lth … tepelná (termální) hladina operativní teploty [decitherm], [dTh]
• T … operativní teplota [°C]
• Tthreshold … prahová operativní teplota, tj. v tomto případě optimální operativní teplota [°C]

Tento vztah koresponduje se vztahem pro hodnocení hluku tzv. hladinou akustického tlaku

V němž stimulus je ve tvaru poměru akustických tlaků, jednak ve vyšetřovaném prostoru (P), jednak prahovém akustickém tlaku (P0) (dolní limit vnímaného tlaku, tj. 20 µPa). Pro hladinu akustického tlaku byla zavedena jednotka decibel (dB), pro termální hladinu je navržena jednotka decitherm (dTh).

2.2.3. Experimentální ověření

Vztah (2.2.2) se z hlediska jak psychologie člověka, tak i z hlediska podobnosti (Kline 1965, Kožešník 1983) jeví oprávněný, nicméně je nezbytné jeho experimentální ověření, tj. nutno prokázat, že decithermy skutečně odpovídají pocitům člověka.

Vnímání úrovně prostředí lze hodnotit již osvědčenou stupnicí dle ASHRAE (ANSI/ASHRAE 55–1992) (zima, chladno, mírně chladno, neutrál, mírně teplo, teplo, horko), jež by měla být přímo úměrná hodnotám termální hladiny v decithermech, tj. nutno prokázat, že platí

kde

• AV … hodnoty dle stupnice ASHRAE pro hodnocení úrovně prostředí
• k1 … koefficient

Má-li současně platit dle WF zákona vztah (2.2.2), pak je nutno experimentálně prokázat, že platí

 

aby Lth = k1·AV

Pak po dosazení bude

Na obr. 2.2.1 je výsledek měření, která prováděl Fishman a Pimbert (1979). Na vodorovné ose jsou vymezeny operativní teploty, na svislé ose průměrné volby subjektů (average votes ASHRAE) dle stupnice ASHRAE. Průměrné hodnoty ASHRAE byly stanovovány pro rozmezí každé teploty ±0,2 °C, tj. např. pro 20 °C: 19,8–20,2 °C, průměrná tepelná produkce byla 80 W/m2, 26 subjektů udávalo své pocity 8× denně (mezi 9,30 až 16,30 h), a to po celý rok, tj. je výsledkem celkového počtu 54 080 zjištěných hodnot. Pro hodnoty ASHRAE lze z grafu (obr. 2.2.1) odvodit vztah:

tj. v obecném tvaru

A tudíž také platí

Lth = k1·AV

tj. je zřejmé, že decithermy korespondují pocitům člověka. Současně je evidentní, že pocitům člověka neodpovídají samotné operativní teploty.

2.2.4 Stanovení termálních hladin operativní teploty

Je-li prokázáno, že termální hladiny operativní teploty odpovídají reálným pocitům člověka, lze přistoupit k jejich stanovení pro konkrétní operativní teploty optimální, dlouhodobě a krátkodobě únosné.

2.2.4.1 Termální hladiny optimálních operativních teplot

Optimální operativní teploty jsou determinovány neutrálním fyziologickým stavem člověka při určité jeho aktivitě a oblečení (viz Část 2.1).

Optimálním operativním teplotám, obdobně jako u hluku a odérů, odpovídá dTh = 0 neboť log1 = 0. Termoregulace lidského organizmu spolu s jeho inter­individuálními rozdíly pak vytváří optimální rozmezí dTh = 0 až 22,5, korespondující optimálnímu rozmezí ope­rativních teplot. Podrobné stanovení rozmezí je uvedeno v Části 2.3 Přípustná rozmezí optimálních operativních teplot.

2.2.4.2 Termální hladiny dlouhodobě únosných operativních teplot

Jejich začátek je totožný s maximálními hodnotami optima a konec je omezen operativní teplotou na úrovni průměrné teploty pokožky, neboť pro vyšší operativní teploty je již nebezpečí hypertermie lidského organizmu v důsledku transferu tepla ze vzduchu do povrchu těla. Rozsah v dTh: 23 až 90, viz Tab. 2.2.1, obr. 2.2.2.

* Kromě třesu (už se neobjevuje u všech osob) neexistuje fyziologická obrana korespondující pocení v teplém prostředí.

Dlouhodobě únosné hodnoty jsou dány oblastí zjevného pocení člověka. Oblast je vytvářena interindividuálními rozdíly: počátek a konec se u jednotlivých jedinců liší. Pro případný výpočet přípustných limitů se používá průměrná hodnota, daná průsečíkem proložené regresní přímky naměřenými hodnotami potu s přímkou tepelné produkce. Na obr 2.2.6 to bude bod přibližně uprostřed dlouhodobě únosného rozmezí.

Dlouhodobě únosné operativní teploty lze připustit pouze v oblasti tepla – jimi porušenou tepelnou rovnováhu člověka vyrovnává jeho organizmus pocením. V oblasti chladu koresponduje pocení pouze třes, který se však dnes již u většiny lidí nevyskytuje (pokud se nejedná o třes nervového původu) a není jej tudíž možno brát v úvahu jako ochranný mechanizmus lidského organizmu. V oblasti chladu je tedy nutno respektovat pouze hodnoty krátkodobě únosné.

Oblast dlouhodobě únosných hodnot je současně oblastí syndromu nemocných budov SBS neboť je již mimo optimální hodnoty, avšak zároveň je dlouhodobě snesitelná.

2.2.4.3 Termální hladiny krátkodobě únosných operativních teplot

Jejich začátek je v oblasti tepla totožný s maximálními hodnotami dlouhodobě únosnými, v oblasti chladu s minimálními hodnotami optima.

Konec je v oblasti tepla operativní teplotou před prahem bolestivosti (cca 42 °C). Rozsah v dTh = 91 až 134.

V oblasti chladu při těžké práci je problém. Limitujícím faktorem se stává těžká práce, neboť v důsledku únavy nelze vždy počítat s možností jejího nepřetržitého provádění (např. po celou směnu), takže místo nízké teploty vyplývající z tepelné bilance je nutno volit teplotu vyšší. V České republice je touto mezní operativní teplotou 10 °C, v USA pouze 15 °C.

2.2.4.4 Termální hladiny neúnosných operativních teplot

Neúnosné operativní teploty jsou charakterizovány již jen svým začátkem, zvoleným prahem bolestivosti (cca 42 °C), stejně jako je zvolen práh bolestivosti u hluku. Analogicky jako u hluku a odérů lze této hodnotě přiřadit dTh = 135.

2.2.5 Stupnice termálních hladin operativní teploty

Jsou určovány základním vztahem (2.2.2), v němž

Po dosazení do rovnice (2.2.2) bude výsledný vztah

(

Vztah (2.2.8) umožňuje ke každé optimální operativní teplotě přiřadit škálu termálních hladin.

Termální hladiny operativní teploty jsou analogicky jako operativní teploty optimální, únosné a neúnosné (tab. 2.2.1) (obr. 2.2.2). Podrobné stanovení je uvedeno v Části 2.3. Přípustná rozmezí optimálních operativních teplot.

Optimální jsou ještě trojí: velmi příjemné, příjemné a přijatelné (z předpisového hlediska též optimálně přípustné). Únosné se ještě dělí na dlouhodobě a krátkodobě únosné.

Z grafického vyjádření je dále zřejmá další zajímavá vlastnost decithermů: respektují skutečnost, že pokles operativních teplot je pociťován tím nepříjemněji, čím jsou teploty nižší, tj. např. pokles o 3 °C z 10 na 7 °C je vždy nepříjemnější než pokles teplot z 20 na 17 °C. Zvýšená senzitivita lidského organizmu na chlad se potvrzuje i zvýšenou úmrtností při nízkých teplotách vůči teplotám vyšším. Patnáctidenní průměry úmrtnosti v závislosti na průměrné denní teplotě jsou uvedeny na obr. 2.2.3. Lineární korelace má r = 0,64, pro kvadratickou závislost (M = 17,69 – 1,149·T + 0,025·T2) stoupá na r = 0,72. Minimální úmrtnost je při teplotě 23 °C. Z grafu je dále zřejmé, že úmrtnost rychle stoupá pod teplotu 18 °C a zvláště rychle pod 16 °C (Auliciems, Skinner 1989). Různé vnímání tepla a chladu má také fyziologické pozadí: jednak spe­ciální senzory pro teplo a chlad v kůži (obr. 2.2.4) a různá vyhodnocovací centra v mozku (obr. 2.2.5).

2.2.6. Aplikace

Byla zvolena aplikace termálních hladin na optimální operativní teplotu v kabině dopravního letadla, jež se stala posléze součástí návrhu standardu EU(prEN 4666:2009 Aerospace Series. Aircraft integrated air quality and pressure standards, criteria and determination methods).

Pro kabinu dopravního letadla byla nejprve stanovena optimální operativní teplota 23 °C (dTh = 0), daná požadavkem fyziologické rovnováhy lidského organizmu (viz Část 2.1). Tato hodnota byla potvrzena též opakovaným průzkumem mezi cestujícími na lince Londýn – Tokio a zpět. Odpovídající vztah pro termální hladiny má tvar

který je graficky vynesen na obr. 2.2.6.

Na počátku letu může být operativní teplota snížena na 21 °C (dTh = –20). Po určité době letu, kdy si cestující dělají pohodlí odkládáním šatstva (pokles na 0,5 clo) by měla být zvýšena na 23 °C (dTh = 0). Vzestup teploty lze připustit na 24,6 °C (15 dTh) (konec příjemných hodnot) nebo na max. 25,4 °C (22,5 dTh) (končí rozmezí akceptovatelných hodnot).

Dlouhodobě únosné teploty v případě poruchy končí na 34 °C (88 dTh).

2.2.7 Nová možnost: Hodnocení vlivu operativních teplot na celkovou úroveň prostředí

Nespornou výhodou nových decithermových jednotek je možnost nového hodnocení mikroprostředí (vnitřního prostředí budov). Nejprve se vyhodnotí zvlášť každá konstituenta a pak její vliv na celek, na celkovou úroveň prostředí. Decithermy také mohou být základem pro výzkum interakce, vzájemného působení jednotlivých složek prostředí. K tomuto účelu lze použít práce (Rohles et al. 1989). Vliv jednotlivých konstituent na výslednou úroveň prostředí se liší, např. naše zdraví je více ohroženo chladem než pozitivními aeroionty.

Předběžné výsledky dle Rohlese a kol. jsou souhrnně uvedeny v tab. 2.2.2. Vliv operativní teploty je jeden z nejdůležitějších, pohybuje se kolem 16 %, korespondující tepelně vlhkostní konstituenta, kterou lze použít při konstantním optimálním proudění vzduchu a konstantní relativní vlhkosti vzduchu, má vliv vůbec největší (30 %). Je následován konstituentou světelnou (24 %), akustickou (22 %), toxickou (10 %), odérovou (8 %) a aerosolovou (6 %).

Vliv hygrotermální, akustické a odérové konstituenty na celkovou úroveň prostředí s optimální teplotou 22 °C lze stanovit následovně:

kde dOd = deciodéry (viz Část 3)

Tab. 2.2.2 Vliv některých konstituent a jejich částí na vnímanou celkovou úroveň prostředí (Rohles et al. 1989)

2.2.8 Měření decithermů

Decithermy lze měřit každým teploměrem, doplněným o stupnici dTh.Topt předepsané pro uvažovaný interiér nutno dosadit do rovnice (2.2.8), čímž lze stupnici dTh vypočítat. V hodnotě Topt je již zahrnut vliv oděvu a činnosti člověka (viz Část 2.1).

2.2.9. Diskuze

U systému PMV je kritériem vlivu prostředí na psychiku člověka PPD (procento nespokojených). PPD a dTh by tudíž měly být v určitém vzájemném vztahu, čemuž tak skutečně je, jak bylo prokázáno u dOd (viz Část 3). Mezi oběma kritérii je však značný rozdíl:

• a) dTh lze přesně stanovit jednak výpočtem, jednak měřením,
• b) dTh reaguje citlivěji na změnu prostředí,
• c) dTh poskytuje nesrovnatelně více informací, viz následující odstavec 2.2.10.

2.2.10 Závěr – výhody použití decibelové stupnice

Výhody lze shrnout do následujících bodů

1. Nespornou výhodou je skutečnost, že decithermy podstatně lépe vystihují vnímanou tepelnou úroveň prostředí než samotné operativní teploty.
2. Decithermy odpovídají číselně decibelům pro hluk a odéry, tj. lze je navzájem porovnávat a jim odpovídající úroveň konstituent prostředí.
3. Decithermy umožňují stanovení vlivu operativních teplot na celkovou úroveň prostředí.
4. Decithermy umožňují posuzovat vzájemnou interakci jednotlivých složek prostředí.
5. Decithermy lze stanovit každým přístrojem – teploměrem – ke stanovení operativní teploty; stačí stupnici ve stupních C doplnit o stupnici v decithermech.
6. Decithermy umožňují posoudit stupeň vhodnosti tepelného stavu prostředí, tj. do jaké míry je příjemný či nikoliv.
7. Decithermy umožňují nově definovat rozmezí optimálního, dlouhodobě a krátkodobě únosného tepelného stavu prostředí.
8. Decithermy umožňují novou definici syndromu nemocných budov SBS, jehož příčinou je tepelný stav prostředí – odpovídá dlouhodobě únosným hodnotám.
9. Decithermy umožňují stanovit stav ohrožení lidského organizmu přehřátím (hypertermií) nebo podchlazením (hypotermií), a to překročením hodnot dlouhodobě únosných.
10. Decithermy umožňují posoudit účinnost vytápěcích a chladicích zařízení novým způsobem – do jaké míry mohou zabezpečit optimální úroveň pro uživatele.

Poznámka:

Práce byla sponzorována z evropských fondů v rámci úkolu FP6 AEROSPACE (identifikační kód AST4 – CT – 2005– 516131) ICE (Ideal Cabin Environment).

Literatura

1. ANSI/ASHRAE Standard 55-1992/2004 Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. ASHRAE, Atlanta 1992/2004.
2. Auliciems, A., Skinner, J. L.: Cardiovascular death and temperature in subtropical Brisbane. Int. J. Biometeorol 33, 1989, 3: 215–221.
3. de Dear, R. J.: Outdoor climatic influences on indoor thermal comfort requirements. In: Thermal Comfort: Past, Present and Future. Conference Proceedings, Building Research Establishment, Garston 1993, p. 106–132.
4. EN ISO 7730 Moderate thermal environments-Determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort.
5. European technical report CR 1752–1998 Ventilation for Buildings: Design criteria for indoor environment.
6. Fanger, P. O.: Thermal Comfort. Danish Technical Press, Copenhagen 1970.
7. Fishman, D. S., Pimbert, S. L.: Survey of the objective responses to the thermal environment in offices. In Indoor Climate, Copenhagen, Danish Building Research Institute, 1979, p. 677–698.
8. Jokl, M. V.: Hodnocení kvality vzduchu v interiéru jednotkami decibel. Bezpečná práca 26, 1995, 6: 249–254.
9. Jokl, M. V.: Evaluation of indoor air quality using the decibel concept. Part I. Proposal of new units. Centr. eur. J. publ. Hlth 5, 1997, 1: 3–8.
10. Jokl, M. V.: Evaluation of indoor air quality using the decibel concept. Part II. Ventilation for acceptable indoor air quality. Centr. eur. J. publ. Hlth 5, 1997, 1: 9–12.
11. Jokl, M. V.: New units for indoor air quality: decicarbdiox and decitvoc. Int. J. Biome­teo­rol. 42, 1998, 2: 93–111.
12. Jokl, M. V.: Evaluation of indoor air quality using the decibel concept based on carbon dioxide and TVOC. Building and Environment 35, 2000, 8: 677–697.
13. Jokl, M. V.: The Thermal Environment Level Assessment Based on Human Perception. In: Clima 2007 WellBeing Indoors. Proceedings CD-ROM. Brussels: REHVA, 2007, ISBN 978-952-99898-3-6.
14. Kline, S. J.: Similitude and Approximation Theory. McGraw-Hill, New York 1965.
15. Kožešník, J.: Theory of Similitude and Simulation. Czech. Academia, Prague 1983.
16. Petráš, D., Feketová, M., Šabíková, J.: Indoor Climate of Buildings 2004. SSTP, SUT, 5th Int. Conf. Štrbské Pleso 2004.
17. prEN 4666:2011 Aerospace Series. Aircraft integrated air quality and pressure standards, criteria and determination methods.The Aerospace and Defence Industries Association of Europe. Brussels 2011.
18. Rohles, F. H., Woods, J. E., Morey, P. R.: Indoor environment acceptability: The development of rating scale. ASHRAE Transactions 95, 1989, 1: 3197.

---

A Methodology for the Comprehensive Evaluation of the Indoor Climate Based on the Human Body Response, Part 2.2 Hygrothermal Microclimate Evaluation Based on Human Psychology

In this paper a new methodology for the comprehensive evaluation of the thermal condition of environment based on operative temperature thermal levels, so called decitherms, is presented. It allows an assessment based on the perception of the environment by man. It stems from the impact of the environment on human psyche as described by the Weber-Fechner law. One of its strengths is that it takes into account the fact that a decrease in operative temperature is perceived the more strongly at lower temperatures. The concept of the decitherm allows a direct numerical comparison with decibels, used for noise evaluation, and with deciodors, used for odour assessment, and additionally the total environment can be assessed by adding the individual levels multiplied by corresponding impact factors. Further, concrete values for SBS can be estimated, rating of air-conditioning systems efficiency defined and the degree of danger to man whether by overheating (hyperthermia) or undercooling (hypothermia) can be estimated. This methodology has already been used in the preparation of European standard prEN 4666:2009 Aerospace Series, Aircraft integrated air quality and pressure standards, criteria and determination methods.

Keywords: thermal comfort, new system of thermal comfort assessment, hygrothermal microclimate evaluation