Posouzení parametrů prostředí v místnosti klimatizované jednotkou SPLIT

1. Úvod

Vzhledem k rostoucím požadavkům na dodržení parametrů tepelné pohody v kancelářských prostorách jsou často do stávajících kanceláří instalovány klimatizační jednotky typu split nebo multisplit. Dodatečné instalace jsou většinou poplatné dispozici prostoru, často také uspořádání nábytku, a při nevhodném umístění klimatizační jednotky může dojít i ke zhoršení situace. V příspěvku je provedeno komplexní zhodnocení parametrů tepelné pohody v místnosti s osazenou klimatizační jednotkou.

2. Tepelná pohoda

Mezi základní parametry prostředí, které jsou rozhodující pro tepelnou pohodu osob, patří teplota a relativní vlhkost vzduchu, rychlost a turbulence proudění a sálavé účinky okolních ploch. V našich klimatických podmínkách nedosahuje vlhkost vzduchu extrémních hodnot a její vliv na tepelnou pohodu není tak výrazný. Také změny sálavých účinků mají význam pouze v určitých případech, především při sálavém vytápění.

Základním parametrem, podle kterého se dimenzuje klimatizační zařízení, je potom teplota vzduchu. Pro běžné kancelářské prostory a činnosti - sedící, mírně aktivní člověk (1.2 MET), v lehkém oděvu (1 clo) - odpovídá tepelné pohodě teplota vzduchu 24 až 26 °C.

Rychlost a intenzita turbulence proudění ovlivňují nejen tepelnou bilanci, ze které jsou odvozeny základní parametry pro posuzování tepelné pohody, ale i samostatný parametr, nazvaný stupeň obtěžování průvanem, který je pro celkové posouzení pohody velmi důležitý.

Pro posouzení tepelné pohody lze použít tři metody a jejich kombinace:

• výpočet
• měření
• subjektivní hodnocení osob (zjišťované dotazníky)

3. Výpočty parametrů tepelné pohody

Výpočty vycházejí ze základní tepelné bilance člověka, kdy se teplo produkované organismem odvádí do okolí konvekcí, sáláním, dýcháním, pocením a případně vedením. Tepelná rovnováha, tj. stav, při kterém okolí odnímá tělu právě tolik tepla, kolik jej produkuje, je jednou ze základních životních podmínek člověka. Je-li však část tepla odváděna mokrým pocením, nejsou dodrženy podmínky tepelné pohody.

Z řešení tepelné bilance je odvozena rovnice pro výpočet středního tepelného pocitu PMV.
PMV = [0.303 * exp(-0.036 * M) + 0.028] * L

M - energetický výdej člověka (W)
L - rozdíl energetického výdeje a tepla odvedeného bez mokrého pocení (W)

Výsledný střední tepelný pocit je hodnocen sedmistupňovou stupnicí, kde +3 je horko, 0 neutrálně (tepelná pohoda) a -3 zima.

Procentuální podíl nespokojených PPD se vyhodnocuje na základě středního tepelného pocitu PMV podle vztahu:
PPD = 100 - 95 *exp[-(0.03353 * PMV⁴ + 0.2179 * PMV²)]

Stupeň obtěžování průvanem (DR) je samostatný ukazatel pro posuzování parametrů prostředí podle normy ISO 7730 a vyjadřuje procentuální podíl osob, u kterých převládá pocit obtěžování průvanem. DR lze vypočítat podle vztahu:

DR = (34 - t_a) * (v - 0.05)^0,62 * (0.37 * v * Tu + 3.14)

t_a - teplota vzduchu (°C)
v - rychlost proudění vzduchu (m/s)
Tu - místní intenzita turbulence (%)

Do rovnic pro posouzení tepelné pohody vstupuje celá řada parametrů, jejichž určení výpočtem je krajně obtížné, a proto se hodnocení tepelné pohody prostředí prakticky neobejde bez měření. Pouze při použití počítačových simulací energetických bilancí a proudění v prostoru lze vyhodnotit parametry prostředí pro posouzení tepelné pohody z výsledků simulace.

4. Měření

Přístroj, který by přímo měřil tepelnou pohodu osob a zahrnoval vliv všech parametrů, neexistuje. Naměřené hodnoty slouží jako podklad pro následné výpočty PMV, PPD, DR aj. Při posuzování tepelné pohody je třeba měřit teplotu a vlhkost vzduchu, účinnou teplotu okolních ploch, radiační asymetrii, rychlost proudění a intenzitu turbulence. Pro sedící osoby se měří ve výšce 0.1; 0.6 a 1.1 m.

Při hodnocení prostředí v místnosti s klimatizační jednotkou split byl hlavní důraz kladen na teplotu vzduchu, rychlost a intenzitu turbulence proudění vzduchu.

Zatímco měření teploty vzduchu je poměrně jednoduché, měření nízkých rychlostí (do 1 m/s) a intenzit turbulence proudění vzduchu v pásmu pobytu osob vyžaduje speciální přístrojové vybavení. Pro takováto měření lze v běžné praxi použít výhradně termoanemometry, vybavené čidly s velmi malou setrvačností. Vzhledem k tomu, že pro posouzení komfortu není důležitý směr proudění, mělo by se jednat o vícesměrové sondy.

5. Subjektivní hodnocení

Tepelnou pohodu ovlivňuje řada subjektivních faktorů, z nichž některé lze částečně zahrnout do výpočtů (intenzita práce, oblečení), jiné ne. Statistické zpracování dotazníků (subjektivního hodnocení) zůstává stále jednou ze základních metod výzkumu v této oblasti.

6. Popis experimentu

Předmětem posuzování byla zasedací místnost Ústavu techniky prostředí Fakulty strojní ČVUT v Praze, v osmém podlaží budovy v Praze 6 - Dejvicích. Místnost má půdorys 4 x 6,5 m a výšku 3m, jedna podélná stěna je osazena okny. V místnosti probíhalo jednání a bylo přítomno 16 osob. Měřící stojan byl umístěn místo jedné osoby naproti klimatizační jednotce.

Poloha klimatizační jednotky je patrná z obr. 1, toto umístění bylo zvoleno vzhledem k jednoduchosti instalace (ostatní stěny jsou tvořeny vestavěnými skříněmi). Měření teplot, rychlostí a intenzit turbulence probíhalo během jednání cca 2 hodiny.

Obr. 1 - Schéma místnosti a umístění měřicího stojanu

7. Klimatizační jednotka

V místnosti je instalována klimatizační jednotka split Mitsubishi MCFH 13 NV o jmenovitém chladicím výkonu 3.7 kW a průtoku vzduchu (cirkulační) 780 m³/h. Jednotka umožňuje jak chlazení, tak vytápění (tepelné čerpadlo). Chod klimatizační jednotky byl monitorován, v sedmi bodech chladicího okruhu byla měřena teplota, což umožňuje přibližnou konstrukci idealizovaného chladicího oběhu v diagramu h-s chladiva R 22.
Jednotka umožňuje nastavení tří stupňů otáček ventilátoru a směrování výstupního proudu vzduchu pomocí žaluzie. Při měření byly vzhledem k tepelné zátěži nastaveny maximální otáčky ventilátoru a žaluzie byla nastavena pro vodorovný proud vzduchu.

Obr. 2 - Schéma chladivového okruhu klimatizační jednotky s vyznačením měřených teplot

8. Použitý přístroj

Pro měření teplot, rychlostí a intenzit turbulence proudícího vzduchu byly použity tři sondy 54T21 Dantec Indoor Flow System. Tento měřicí systém byl vyvinut ve spolupráci firmy Dantec a výzkumného centra vedeného Prof. Fangerem (DTU Dánsko); je určen pro měření a vyhodnocování 3 parametrů komfortu (rychlost, intenzita turbulence a teplota proudícího vzduchu). Jedná se o vícesměrový thermoanemometer s tenkou žhavenou kovovou vrstvou na kulové ploše o průměru 3 mm, cejchovaný pro rychlosti od 0.05 do 1 m/s. Sonda splňuje základní předpoklady pro měření v pásmu pobytu osob, není závislá na směru proudění, je schopna měřit nízké rychlosti a má velmi malou setrvačnost, což umožňuje měření fluktuací rychlosti s frekvencemi až do 2 Hz. Sondy jsou napojeny na měřicí počítač, vybavený kartou s A/D převodníkem a softwarem pro vyhodnocení výsledků.
Uvedený přístroj IFS je zatím jediný používaný v České republice.

Obr. 3 - Sondy Dantec IFS na stojanu

Obr. 4 - Rychlostní profil v měřené ose

9. Výsledky

Z opakovaných měření byly vyhodnoceny střední hodnoty jednotlivých parametrů (tab. 1.) a vypočten stupeň obtěžování průvanem. Jednotlivé veličiny se během měření výrazně neměnily a odchylky od průměrných hodnot nebyly velké.

Z výsledků je patrný vysoký stupeň obtěžování průvanem v oblasti kotníků, oproti tomu v oblasti hlavy a těla je obtěžování průvanem minimální. Též teplotní gradient - dva stupně mezi hlavou a kotníky je poměrně vysoký a vypovídá o nevhodném charakteru proudění v místnosti.

Vyhodnocení teplot v chladicím okruhu potvrdilo, že jednotka běžela po celou dobu měření na plný výkon bez výraznějších výkyvů.

10. Charakter proudění v místnosti

Výsledky měření ukazují zvýšenou rychlost proudění vzduchu v oblasti kotníků a vyšší teplotní gradient u podlahy. To odpovídá vzniku příčné cirkulace vzduchu o poměrně vysoké rychlosti v místě klimatizační jednotky.

Pro ověření charakteru proudění byl proměřen rychlostní profil podél jedné vertikální osy místnosti naproti klimatizační jednotce (viz obr. 5).

Obr. 5 - Charakter proudění v místnosti

Měření potvrdilo předpokládaný charakter proudění. Na výstupu z klimatizační jednotky je rychlost vzduchu cca 5 m/s a teplota 13 °C. Do proudu se přimíchává vzduch z místnosti a rychlost poklesne (v místě měření 1 m/s). Tento chladný proud pokračuje k protilehlé stěně, kde padá k zemi a vrací se k obvodové stěně. Kvůli malé vzdálenosti protilehlé svislé stěny je zpomalení podstropního proudu malé a rychlost proudu chladnějšího vzduchu v oblasti kotníků je příliš velká (0.5 m/s), vzniká průvan.

11. Závěr

Měření i výpočty potvrdily, že klimatizační jednotka není v místnosti vhodně umístěna. Při provozu jednotky na plný výkon vzniká průvan obtěžující osoby sedící naproti klimatizační jednotce. Oproti tomu severovýchodní část místnosti není v dosahu proudu vzduchu z klimatizační jednotky a lidem je zde teplo. Řešením by byla instalace klimatizační jednotky s výstupním proudem vzduchu v podélném směru, nebo lépe instalace dvou vnitřních jednotek o menším výkonu (nebo nastavených na nižší průtok vzduchu).

Literatura
1. P.O.Fanger: Thermal comfort. McGraw-Hill. New York, 1972.
2. R. Nový a kol: Technika prostředí. Skripta ČVUT v Praze. Praha, 2000.
3. H. Svobodová: Analýza mikroklimatu v klimatizovaných prostorách. Diplomová práce ČVUT v Praze. Praha, 2000.
4. ASHRAE Handbook, Fundamentals. ASHRAE. Atlanta, 1997.
5. ČSN EN ISO 7726 Tepelné prostředí. Přístroje a metody měření fyzikálních veličin.
6. ČSN EN ISO 7730 Mírné tepelné prostředí. Stanovení ukazatelů PMV A PPD a popis podmínek tepelné pohody.
7. ČSN EN ISO 11399, ČSN EN ISO 10551, ČSN EN ISO 7933