Komplexní způsob hodnocení mikroklimatu budov na základě odezvy lidského organizmu – Část 2.3

mikroklima

bezpečnost a zdraví

Autor poskytuje kritéria pro posuzování a zajišťování tepelné pohody, která vycházejí z fyziologických termoregulačních schopností člověka, jeho oblečení a obvyklé činnosti (námaze) v definovaném prostoru.

Recenzent: Vladimír Galád

2.3 Přípustná rozmezí optimálních operativních teplot

2.3.1 Úvod

Přípustná rozmezí optimálních operativních teplot byla dosud určována pouze odhadem, v odborné literatuře nejsou podklady, jež by nějakým způsobem tyto hodnoty zdůvodnily. Např. ASHRAE Standard 55-1992 v tab. 3 (Thermal environmental conditions for human occupancy) udává pro léto (0,5 clo) optimální operativní teplotu 24,5 °C a rozmezí ±1,5 °C pouze s poznámkou, že se jedná o 10% nespokojenost (dissatisfaction) a dolní limit že není vhodný pro děti, některé staré osoby (certain elderly people) a jednotlivce, kteří jsou fyzicky invalidní (physically disabled). Zdůvodnění, jež by respektovalo fyziologii termoregulace lidského organizmu není uvedeno.

2.3.2 Teorie

Optimální operativní teplota je základní veličinou, která je schopna člověku v určitém oděvu, a při určité aktivitě, zajistit tepelnou rovnováhu bez zjevného pocení. Díky své fyziologii, svým termoregulačním mechanizmům je však schopen se vyrovnat se změnami této teploty. Tyto změny nelze vypočítat, vyžadují experimentální stanovení.

Termoregulační rozmezí je v oblasti tepla vymezeno od neutrálního stavu po počátek zjevného pocení (perspiratio sensibilis), v oblasti chladu od neutrálního stavu po počátek třesu. Je zde tedy poměrně široké rozmezí od počátků třesu po počátky zjevného pocení, které lze rozdělit podle různých kritérií:

• a) psychologických,
• b) zdravotních a
• c) ekonomických.

Psychologickým kritériem bylo dosud jen procento nespokojených osob, určované buď jen dotazem lidí nebo odhadované na základě osobní zkušenosti. Standardy z poslední doby (např. ČSN EN 15 251:2007 E) se nespokojují jen s procentem nespokojených a definují ještě čtyři kategorie:

Kategorie

• I: Vysoká úroveň očekávání (high level of expectation)
• II: Normální úroveň očekávání (normal level of expectation)
• III: Přijatelná, mírná úroveň očekávání (an acceptable, moderate level of expectation)
• IV: Hodnoty mimo výše uvedené kategorie po omezenou část roku.

S touto čtvrtou kategorií se však až na výjimky dále ve standardech nepracuje.

První tři kategorie v postatě odpovídají kategoriím A, B a C dle ČSN EN 7730.

Weber-Fechnerův zákon však dává možnost podstatně přesnějšího stanovení na základě logaritmické jednotky dTh (viz Část 2.2). Ta umožňuje ke každé optimální operativní teplotě přiřadit stupnici subjektivních pocitů člověka: velmi příjemných, příjemných, přijatelných a dokonce i pocitů mimo optimum: dlouhodobě a krátkodobě únosných. Jelikož jsou tyto pocity vždy přidruženy k určité optimální teplotě, zahrnují i vliv oděvu a aktivity člověka.

Zdravotním kritériem
je nejčastěji snížená odolnost dětí, nemocných osob a osob staršího věku a lidí každého věku postižených alergiemi. Exaktně podložené požadavky zde neexistují, pouze se dle uvážení volí hodnoty co nejvíce se blížící optimu, které by byly přijatelné pro uvedené osoby.

Ekonomickým kritériem
je stále rostoucí cena energií pro vytápění a klimatizaci budov jež tlačí na nízkou spotřebu energie a v důsledku toho na hodnoty naopak od optima co nejvíce vzdálené, tj. v zimě teploty co nejnižší a v létě co nejvyšší.

Z uvedených skutečností je zřejmé, že seriózní stanovení přípustných rozmezí optimálních operativních teplot vyžaduje především experimentální stanovení termoregulačního rozmezí lidského organizmu a dále jeho rozdělení tak, aby byla respektována jak hlediska zdravotní, tak ekonomická.

2.3.3 Experimentální stanovení termoregulačního rozmezí

Lze použít hodnot z experimentálního stanovení optimální operativní teploty (viz Část 2.1).

Jako pokusné osoby sloužili studenti – každý z nich absolvoval šest asi tříhodinových pokusů při čtyřech úrovních fyzické aktivity: 1. sezení v křesle, 2. sezení na bicyklovém ergometru bez šlapání, 3. šlapání na bicyklovém ergometru se zátěží 40 W, 4. šlapání na bicyklovém ergometru se zátěží jeden watt na kilogram tělesné hmotnosti (tak dlouho jak byl subjekt schopen). Během každé aktivity byla měřena produkce metabolického tepla metodou nepřímé kalorimetrie. Současně byla kontinuálně měřena střední teplota pokožky, puls a ztráta vody během pokusu.

Subjekty byly oblečeny do dvou druhů oděvů: lehkého (pyžama) a pak těžšího, dobře izolovaného (speciální přetlakový oděv pro piloty tryskových letadel).

Teplota vzduchu při všech pokusech byla rovna teplotě stěn a bylo zvoleno šest teplot: 11, 14, 17 a 26, 29, 32 °C s ohledem na dolní a horní mez neutrální zóny (začátek pocení = kritérium horní meze, začátek třesu = kritérium dolní meze) (případné psychogenní pocení nebylo uvažováno). Původně zvolené teploty 8, 11, 14, 17, 20, 23, 26, 29, 32 °C nebyly nutné, proto byly zredukovány. Relativní vlhkost vzduchu byla udržována v komfortním rozmezí (daném parciálními tlaky vodních par 700 až 1850 Pa). Počátek zjevného pocení (příznaky potu na čele) a třesu byl určován vždy týmž pozorovatelem. Pokusy proběhly ve všech ročních údobích, takže bylo možno se pokusit o zachycení vlivu sezónní adaptace na velikost maximálního a minimálního termoregulačního toku, tj. stanovit adaptační teplo. Ukázalo se však, ve shodě s jinými autory (Fanger 1970), že je zanedbatelné (Jokl, Moos 1992), nepřesahuje 0,2 °C (menší, než chyba, vznikající při měření teplot během experimentu). Měření probíhala vždy po dobu, kdy termoregulační tok bylo možno považovat za ustálený – měření nevyhovující této podmínce nebyla zahrnuta.

Obr. 2.3.1 • Stanovení termoregulačních rozmezí; vysvětlení je uvedeno v textu

Obr. 2.3.2 • Graf závislosti T_g,opt = f(qm) pro oděv 0,5 s termoregulačním rozmezím na úrovni A, B a C jednak pro teplo (směrem k počátkům pocení), jednak pro chlad (směrem k počátkům třesu)

Proložením regresní přímky body počátků pocení lze stanovit termoregulační rozmezí v nejširším slova smyslu, tj. od optima až po začátek zjevného pocení. Pro oblast komfortu je však třeba volit hodnoty nižší, kdy ještě k zjevnému pocení nedochází. Tato oblast je dána polem mezi přímkou optima a tečnou z pólu (průsečík regresní přímky počátků pocení a přímky optima) k množině bodů jednak počátků pocení, jednak počátků třesu (obr. 2.3.1, 2.3.2). Tyto tečny jsou analogií termoregulačního rozmezí kategorie C dle ČSN EN 7730 a kategorie III dle ČSN EN 15 251:2007. Z rovnic těchto tečen, jež současně jsou přímkami pro T_g,max a T_g,min, lze pak stanovit termoregulační rozmezí např. pro q_m= 70 W/m² a 0,5 clo (T_g.opt = 24,5 °C) T_g,max = 27,0 °C a T_g,min = 22,2 °C a odpovídající hodnoty 24 dTh a minus 27 dTh. Snížíme-li obě hodnoty na 22,5 dTh (odpovídá T_g,max = 26,8 °C ) a –22,5 dTh (odpovídá T_g,min = 22,4 °C) dostáváme a) rezervu pro naměřené hodnoty dalších pokusných osob (dosud 32) a b) optimální rozmezí 0 až 22,5 dTh (1 × 22,5 dTh) v souladu s teorií similarity (Kline 1965, Kožešník 1983) (viz tab. 2.3.1).

Tab. 2.3.1 • Druhy mikroklimatu a odpovídající rozmezí

Optimální přípustné hodnoty odpovídají definici kategorie III dle ČSN EN 15 251:2007 a kategorii C dle ČSN EN 7730. Pro stanovení kategorie A(I) a B(II) lze vzít v úvahu, že lidský organizmus je termoregulačním mechanizmem ve smyslu technické regulace, který změny operativní teploty v daném prostředí vyrovnává termoregulačními toky v organizmu za účelem udržení tepelné rovnováhy, a to ve třech úrovních, obdobně jako je tomu u technologických mechanizmů (opět uvažován uvedený příklad 70 W/m², 0,5 clo, T_g,opt = 24,5 °C):

• úrovni C, odpovídající časové konstantě 1,000·(T_g,c – T_g,opt) + T_g,opt = 26,8 °C => 22,5 dTh
• úrovni B, odpovídající časové konstantě 0,632·(T_g,c – T_g,opt) + T_g,opt = 26 °C => 15 dTh
• úrovni A, odpovídající časové konstantě 0,368·(T_g,c – T_g,opt) + T_g,opt = 25,5 °C => 10 dTh

Kategorie A, B, C umožňují nyní vzít v úvahu kritérium zdravotní, jež lze respektovat kategorií A, a ekonomické kategorií C a kategorii B ponechat pro běžnou aplikaci.

Termální hladiny umožňují stanovení přípustných rozmezí optimálních operativních teplot pro různou požadovanou aktivitu člověka a oděv ve zvolené kategorii. Pro stanovenou optimální teplotu lze přípustná rozmezí vypočítat ze vztahů:

Kategorie A:

10 = [135/log(42/T_opt)]log(T_o,Amax/T_opt)                       [dTh] (2.2.1a)

–10 = [135/log(42/T_opt)]log(T_o,Amin/T_opt)                [dTh] (2.2.1b)

Kategorie B:

15 = [135/log(42/T_opt)]log(T_o,Amax/T_opt)                       [dTh] (2.2.2a)

–15 = [135/log(42/T_opt)]log(T_o,Amin/T_opt)                [dTh] (2.2.2b)

Kategorie C:

22,5 = [135/log(42/T_opt)]log(T_o,Amax/T_opt)                   [dTh] (2.2.3a)

–22,5 = [135/log(42/T_opt)]log(T_o,Amin/T_opt)             [dTh] (2.2.3b)

kde A, B, C značí jednotlivé kategorie, index min přípustný pokles pro chlad a index max přípustný vzrůst pro teplo. Výsledné hodnoty lze zaokrouhlit dolů na 0,5.

Hodnoty termálních hladin jsou uvedeny v tab. 2.3.2.

Tab. 2.3.2 • Přípustné max. hodnoty termálních hladin operativní teploty pro teplo a chlad

2.3.4 Diskuze: Porovnání přípustných rozmezí operativních teplot komplexního systému se standardem ČSN EN 7730

Porovnání je souborně uvedeno v tab. 2.3.3. Je zřejmá dobrá shoda v oblasti tepla (léto), chladové hodnoty jsou často nižší, plně ve shodě s fyziologií lidského organizmu. Tyto výsledky platí také pro ASHRAE STANDARD 55-1992R, ve kerém je uvedeno „This standard is in a close agreement with ISO Standards 7726 and 7730“ (see page 1 of the standard) tj. „Tento standard je v naprostém souhlasu se standardy ISO 7726 a 7730“ (viz str. 1 tohoto standardu).

2.3.5 Závěr

Předkládaná přípustná rozmezí operativních teplot se opírají o experimentálně stanovené termoregulační rozmezí lidského organizmu, korespondující kategorii C, rozdělené dále na kategorie A a B aplikací teorie technické regulace. Jednotlivým kategoriím odpovídají logaritmické termální hladiny 10 dTh(A), 15 dTh(B) a 22,5 dTh(C) s kladnými hodnotami pro teplo, se zápornými pro chlad, jež umožňují stanovení přípustných rozmezí optimálních operativních teplot pro různou požadovanou aktivitu člověka a oděv ve zvolené kategorii.

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. ČSN EN ISO 7730 Moderate thermal environments-Determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort. Thermal Environment.
3. ČSN EN 15 251:2007 (E) Indoor environmental output parameters for design and assessment of energy performance of buildings adressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics.
4. Fanger, P. O. 1970: Thermal Comfort. Danish Technical Press, Copenhagen.
5. Jirák, Z., Jokl, M. V., Štverák, J., Pechlát, R., Coufalová, H.: Correction factors in skin temperature measurement. J. of Appl. Physiology 38, 1975, 4: 752–756.
6. Jokl, M. V. 1989: Microenvironment: The Theory and Practice of Indoor Climate. Thomas, Illinois, USA.
7. Jokl, M. V. 2010: A Methodology for the Comprehensive Evaluation of the Indoor Climate Based on Human Body Response. Part 2.2 Hygrothermal Microclimate Evaluation Based on Human Body Psychology. ASHRAE Transactions 2010, Vol. 116, Part 2.
8. Jokl, M. V., Moos, P., Štverák, J. 1992: The human thermoregulatory range within the neutral zone. Physiol. Res. 41, 3: 227–236.
9. Jokl, M. V., Moos, P. 1992: Die Warmeregelungsgrenze des Menschen in neutraler Zone. Bauphysik 14, 6:175–181.
10. Jokl, M. V., Kabele, K., Jordán, F. 2011: A Methodology for the Comprehensive Evaluation of the Indoor Climate Based on Human Body Response. Part 2.1 Hygrothermal Microclimate Evaluation Based on Human Body Physiology. ASHRAE Transaction 2011, Vol. 117, No. 1.
11. Kline, S. J.: Similitude and Approximation Theory. McGraw-Hill, New York 1965.
12. Kožešník, J.: Theory of Similitude and Simulation. Czech. Academia, Prague 1983.
13. prEN 4666:2009 Aerospace Series. Aircraft integrated air quality and pressure standards, criteria and determination methods. The Aerospace and Defence Industries Association of Europe. Brussels 2009.

A Methodology for the Comprehensive Evaluation of the Indoor Climate Based on the Human Body Response, Part 2.3 Admissible ranges of optimal operative temperatures

It is evident, based on human body physiology that the acceptable range of variation in optimal operative temperature is determined by the need to achieve heat equilibrium without visible sweating and therefore must be within the range the thermoregulatory mechanism can cope. This range, based on experimental data from healthy subjects must be decreased for persons with a lower resistance; those suffering from illness or allergy, children and older people. The full range can be applied, even under economic pressure, only in healthy people. The fine thermoregulatory range as used in the European standard prEN 4600:2009 can only be achieved with the decitherm units concepts.

Keywords: hygrothermal microclimate, thermal comfort, operative temperature admissible changes