e-gépész online szaklap

Meleg mennyezet és huzat együttes hatása

Élőalanyos kísérletek

| | |  0 | |

A mennyezetfűtéssel üzemelő irodák egyre nagyobb teret hódítanak a szigorodó energetikai követelményeknek köszönhető hőszükséglet-csökkenés miatt. Ilyen épületek esetén előállhat a meleg mennyezet és a huzat diszkomfort tényezők együttes hatása. Ezt az együttes hatást vizsgáltuk a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudmányi Egyetem ÉPGET Tanszék Macskásy komfort és klímatechnikai laboratóriumában.

A cikk a Magyar Épületgépészet 2018/6. számában jelent meg, melynek tartalomjegyzéke itt letölthető.

A műszeres és élőalanyos mérésekre 2015 márciusa és 2017 augusztusa között került sor. A műszeres mérésekkel laboratóriumi körülmények között mértük a hőkomfortot befolyásoló paraméterek eloszlását, 20 fős élőalanyos mérésekkel pedig hőkomfort szavazatokat kaptunk a különböző aszimmetria és huzathatás párok előfordulása esetén. Jelen dolgozat legfontosabb eredménye a meleg mennyezet és huzat együttes hatását leíró összefüggés és az ehhez tartozó diagram. Másrészt fontos eredménye a férfi és női szavazatok közötti különbség, illetve a nemek szerinti szavazatokat leíró összefüggések.

1. Bevezetés

Az irodaépületek a hazai épületállomány jelentős részét képezik, és számuk folyamatosan növekszik. Az ideális hőkomfort ezen épületek esetén rendkívül fontos, mert az itt dolgozók több órát töltenek az irodákban fokozott szellemi igénybevétel mellett.

Az egyre szigorodó épületenergetikai előírásoknak és rendeleteknek köszönhetően az épületek hőszükséglete egyre kisebb. Ezért a mennyezetfűtés akár kiegészítő épületgépészeti rendszer beépítése nélkül is semlegesíteni tudja az adódó hőszükségletet.

A mennyezetfűtés nagy előnye a kisebb akusztikai terhelés. Alkalmazhatóságának korlátját a lokális diszkomfort hatás előidézése jelenti, amelynek következtében a mennyezet felületi hőmérséklete korlátlanul nem emelhető. Másrészt a meleg mennyezet okozta diszkomfort tényező és a huzathatás a gyakorlatban együtt jelentkezik. E diszkomfort tényezők hatása külön-külön ismert, viszont együttes hatásuk ismeretlen (Bánhidi és Kajtár, 2000; Barna, 2012). Az 1. és 2. ábra (utóbbit lásd a következő oldalon) a huzat és a sugárzási aszimmetria hatását mutatja (Fanger, 1970).

1. ábra. Huzathatás, Tu, %

2. ábra. Sugárzási hőmérséklet-aszimmetria

Jelen cikk bemutatja a fent említett két lokális diszkomfort tényező együttes hatásának kutatási metodológiáját és a kiváltott elégedetlenség várható értékét leíró összefüggéseket. A cikk kutatási eredményünk rövid kivonata.

2. Módszerek

A meleg mennyezet és a huzat együttes hatását vizsgáló kutatást a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem ÉPGET Tanszék  Macskásy komfort és klímatechnikai laboratóriumában végeztük, a mérések 15 hónapig folytak, a kutatás során téli esetet vizsgáltunk.

2.1. A belső felületi hőmérsékletek meghatározása

A mennyezetfűtés korlátját a mennyezet és a padló között adódó aszimmetrikus sugárzás mértéke adja. A mennyezetfűtésnek a transmissziós és a filtrációs hőveszteségek összegét kell fedeznie. Esetünkben egy olyan irodát modelleztünk, amelynek minden oldala külső üvegfal és az alatta levő szinten fagyvédelmi temperálás üzemmódban fűtenek (tb = 10 °C).

Az adott hőátbocsátási tényezővel rendelkező ablak belső felületi hőmérsékletének kiszámítása az ablakon átáramló hőmennyiség megállapításával lehetséges (1. egyenlet). Ebből az értékből kiszámítható a határolószerkezet felületi hőmérséklete (2. egyenlet).

q’ = U ⋅ (ti – te) [W/m²] (1)
twi = ti – (q’ / αi) [°C] (2)

ahol
q hőáram W/m2,
ti és te belső és külső hőmérséklet °C,
twi a fal belső hőmérséklete, °C.

A 3.1. fejezetben található 4. ábra a Magyarországon érvényben levő hőtechnikai előírásoknak megfelelő üvegfal belső felületi hőmérsékletét mutatja a külső hőmérséklet függvényében. Ugyanennek a fejezetnek az 5. ábrája a padló felső felületi hőmérsékletét mutatja az alsó szint hőmérsékletének függvényében.

A transzmissziós veszteségek maximális előfordulása esetén lesz a legnagyobb a mennyezet felületi hőmérséklete, hiszen ekkor kell a legtöbb energiaveszteséget pótolni. Emellett a mennyezet szükséges felületi hőmérsékletét a belső hőnyereségek határozzák meg. A belső hőnyereségek növelésével csökken a tér hőveszteségének semlegesítéséhez szükséges mennyezeti felületi hőmérséklet.

Az élőalanyos vizsgálatok megkezdése előtt átfogó műszeres vizsgálatot végeztünk a hőérzeti kamrában. A műszeres mérés metodológiáját és a mérőállást a 2.2 fejezet mutatja be.

2.2. Műszeres mérések

A mérés során a hőkomfort értékelésére a Predicted Mean Vote (PMV) modellt alkalmaztuk, amely alapján a hőkomfortot hat paraméter befolyásolja: a levegő hőmérséklete, a levegő átlagos sebessége, a levegő páratartalma, a közepes sugárzási hőmérséklet, az emberi tevékenységi szint és a ruházat hőszigetelő képessége. A huzat hatását a Draught Rate (DR) paraméter segítségével értékeltük, ez a levegő hőmérsékletének, átlagos sebességének és a turbulencia fokának függvénye.

A kutatást egy 4×4 m alapterületű és 3 m magas hőkomfort kamrában végeztük. A mérőállás elvi sémáját a 3. ábra mutatja.

3. ábra. A hőkomfort mérőszoba

A hőkomfortot befolyásoló paraméterek egy részét mértük, másik részét számoltuk. Az 1. táblázat a különböző paraméterek adatait mutatja.

Paraméterek Mért / számolt Mérési hiba
Levegő és közepes sugárzási hőmérséklet Mért 0,1 ºC
Levegősebesség Mért 0,3 m/s + mért érték
A levegő páratartalma Mért 1,8% + mért érték
A ruházat hőszigetelő képessége Számolt
Tevékenységi szint Számolt
Turbulencia intenzitás Számolt
PMV Számolt
PPD Számolt

1. táblázat. A paraméterek adatai

A különböző paramétercsoportok emberekre gyakorolt hatásának meghatározására élőalanyos méréseket végeztünk.

2.3. Élőalanyos kísérletek

Az élőalanyos kísérlet megtervezésében figyelembe vettük a nemzetközi gyakorlatban használt és elismert módszereket (Toftum, 1995, 2002; Wyon, 2003). Ennek megfelelően 20 egészséges élőalany vett részt a kutatásban, 10 férfi és 10 nő. Az alanyok 20 és 30 év közötti fiatalok voltak.

Összesen 10 paramétercsoportot vizsgáltunk, minden élőalany 5 aszimmetria és 2 huzatérték hatásának volt kitéve. A kitettség minden alkalommal 3 órás, azaz 180 perces volt, amelyet egy 30 perces akklimatizációs periódus előzött meg.

Egy adott ülés során az élőalanyok csak egy paramétercsoport hatásának vannak kitéve. A paramétercsoportokat ülésenként véletlenszerűen választottuk ki. Ezzel megelőztük, hogy az alanyok felfedezzék a paraméterek változtatásának törvényszerűségeit.

A paramétercsoportok ülésenként állandóak, minden ülés során stacioner helyzet áll fenn és minden mérés során csak egy ember tartózkodik a térben. Az akusztikai vagy levegőminőségi zavarásokat kizártuk a légtechnikai rendszerből érkező zajok csökkentésével és a magas szellőzési térfogatárammal.

Az ülés során tilos enni, vizet inni azonban bármikor szabad. A mérés során a kamrát nem szabad elhagyni, ezt az élőalanyok teljesíteni is tudták. Az ülés során hat, egyenként 30 perces blokk követte egymást, összesen 3 óra terjedelemben. Ezen 3 óra alatt a komfortparaméterek állandóak voltak és blokkonként az élőalanyok a következő tevékenységeket végezték: szabadfoglalkozás, produktivitás teszt, hőkomfort kérdőív kitöltése és pszichológiai teszten való részvétel. Jelen dolgozat a hőérzettel kapcsolatos eredményeket mutatja be.

3. Eredmények

3.1 Felületi hőmérsékletek

A 2. fejezetben bemutatott metodológia segítségével kiszámoltuk a laboratóriumban modellezett irodahelyiség külső üvegfalainak belső felületi hőmérsékletét a külső hőmérséklet függvényében. Ezt a 4. ábra mutatja.

 4. ábra. Az ablak felületi hőmérséklete

A téli méretezési külső hőmérséklet szempontjából Magyarország három részre osztható: a nyugati rész –11 °C, a középső rész –13 °C, a keleti rész –15 °C. A legkritikusabb külső hőmérsékleti feltételek és a 1,15 W/m2K hőátbocsátású ablakfelületek feltételezése mellett, a határoló üvegfalak belső felületi hőmérséklete 20,52 °C. A műszeres mérések és az élőalanyos kísérletek során tehát a falak hőmérsékleteként ezt az értéket állítottuk be a mérőállomást szabályzó felügyeleti rendszerbe.

A padló felületi hőmérsékletének kiszámítása hasonló metodológiával történt. Ebben az esetben a padlófödém hőmérséklete a tér alatt található helyiség hőmérsékletétől és a padló hővezetési tényezőjétől függ. A fűtött terek közötti padló hővezetési tényezőjére vonatkozóan nincs magyar előírás, viszont az irodaterek akusztikai követelményéből adódóan ezeket a szerkezeteket is szigetelni kell. Ezek a födémek hozzávetőleg 0,8 W/m2K hőátbocsátási tényezővel rendelkeznek. Az 5. ábra egy ilyen paraméterekkel rendelkező épületszerkezet esetén mutatja a vizsgált iroda padlóhőmérsékletét, az alatta levő iroda hőmérsékletének függvényében.

5. ábra. A padló felületi hőmérséklete

A kritikus érték akkor adódik, amikor a vizsgált tér alatti irodát nem fűtik, csak temperálják, állagvédelmi okokból. Az állagvédelmi temperálás hőmérséklete 10 °C. Ennek megfelelően a vizsgált térben a padlóhőmérséklet 20,4 °C. A mérések során 20,5 °C-ot állítottunk be a padló esetén is, így a mennyezeten kívül minden épületszerkezet felületi hőmérséklete 20,5 °C volt.

3.2 Az alanyok hőérzeti értékelése

Az élőalanyos mérések során összesen 5 aszimmetria értéket vizsgáltunk, ezek 5 °C, 7 °C, 10 °C, 12 °C és 15 °C voltak. Ezeket a paramétereket 2 huzathatás érték mellett vizsgáltuk, ezek 15% és 25% voltak.

A 6. ábra a meleg mennyezettel elégedetlenek százalékos arányát mutatja a sugárzási aszimmetria függvényében, 15%-os huzathatás mellett.

6. ábra. A meleg mennyezettel elégedetlenek százalékos aránya, DR = 15%

Az elégedetlenek százalékos aránya, DR = 15% mellett a (3) összefüggéssel írható le:

PD = 0,03 · AS2 + 0,69 · AS – 2,42 R2 = 0,93 (3)

ahol
PD az elégedetlenek százalékos aránya, %,
AS a sugárzási hőmérséklet-aszimmetria. °C.

A 7. ábra a meleg mennyezettel elégedetlenek százalékos arányát mutatja a sugárzási aszimmetria függvényében, 25%-os huzathatás mellett.

7. ábra. A meleg mennyezettel elégedetlenek százalékos aránya, DR = 25%

Az elégedetlenek százalékos aránya 25%-os DR mellett a (4) összefüggéssel írható le:

PD = 0,05 · AS2 – 0,45 · AS + 1,87 R2 = 0,95 (4)

Az ábrán a pontok a 20 alany szavazatának átlagát jelentik. A diagramban feltűntetett minden pontra kiszámoltuk a konfidencia intervallumot és a felső és alsó intervallumhatárra szintén görbét illesztettünk. A két vékony, folytonos vonal közötti rész a 95%-os valószínűség melletti konfidencia intervallumot mutatja.

A kísérlet során 10 férfi és 10 női alany szavazatát értékeltük. A nemek között eltérés tapasztalható a meleg mennyezettel kapcsolatos elégedetlenség kapcsán. Az 5. egyenlet a nők várható elégedetlenségét mutatja 15% DR mellett, a 6. egyenlet pedig 25%-os DR mellett. A 7. és 8. ugyanezen értéket írja le a férfiak esetén. A jelölések megegyeznek az 1. és 2. egyenletnél bemutatottakkal (8. ábra):

PD = 0,004 · AS2 + 1,01 · AS – 3,72 R2 = 0,91 (5)
PD = 0,029 · AS2 – 0,02 · AS + 0,92 R2 = 0,92 (6)
PD = 0,06 · AS2 + 0,37 · AS – 1,12 R2 = 0,90 (7)
PD = 0,078 · AS2 – 0,67 · AS + 2,81 R2 = 0,96 (8)

8. ábra. A mennyezetfűtéssel elégedetlenek százalékos aránya, nemek szerinti osztásban

4. Következtetések

Az előzőekben bemutatott eredmények alapján kijelenthető, hogy az irodaépületek lecsökkent hőigénye miatt mennyezetfűtéssel is biztosítható ezen épületek fűtése. Ilyen épületgépészeti rendszermegoldás esetén, a meleg mennyezet és a padló közötti aszimmetrikus sugárzás és a huzathatás együttesen jelentkezhet.

Továbbá kijelenthető, hogy a huzathatás csökkenti a meleg mennyezettel elégedetlenek százalékos arányát. A hatás csökkenésének mértéke a 3.2 fejezetben bemutatott 6. és 7. diagram és az első fejezetben bemutatott 1. diagram összevetésével belátható.

További eredmény, hogy a huzat és a meleg mennyezet okozta aszimmetrikus sugárzás együttes hatására adott válasz a nők és férfiak esetén eltér. A nemek szerinti elégedetlenek százalékos aránya a 3.2 fejezetben bemutatott összefüggések szerint alakul.

Minden mennyezet és padló között kialakult hőmérsékleti aszimmetria és huzathatás értékpár esetén a nők és a férfiak által adott válaszok átlaga szignifikánsan különböztek.

A konfidenciaszint minden esetben 95%, kivéve a DR = 25%, AS = 5 °C és a DR = 25%, AS = 7 °C esetekben, ahol 0,9.

Köszönetnyilvánítás

Kutatási munkánkat részben  az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok (OTKA 124777) támogatták.

A tanulmány alapjául szolgáló kutatást az Emberei Erőforrások Minisztériuma által meghirdetett Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program is támogatta, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Mesterséges intelligencia (BME FIKP-MI) tématerületi programja keretében.

Köszönet illeti mindazokat a cégeket, amelyek anyagi és szakmai segítsége nélkül a Macskásy klíma és komforttechnikai laboratórium, és ez a kutatás sem jöhetett volna létre.

Irodalomjegyzék

  • Barna E. 2012. A sugárzási hőmérséklet aszimmetria és a melegpadló együttes hatása a hőérzetre. Ph.D. tézis, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 125 p.
  • Bánhidi L., Kajtár L. 2000. Komfortelmélet. Budapest, BME Szolgáltató Kft.
  • Fanger P.O. 1970. Thermal Comfort Copenhagen, Danish Technical Press
  • 7/2006 (V. 24.) TNM rendelet az épületek energetikai jellemzőinek meghatározásáról.
  • Toftum J. 2002. Human response to combined indoor environment exposures. Energy and Buildings, Volume 34, Issue 6 2002, p. 601-606.
  • Toftum J. 1995. Draught sensitivity is influenced by general thermal sensation. International Journal of Industrial Ergonomics, 1995
  • Wyon D. P., Bánhidi L. 2003. A minta nagyságának kérdése és belső környezeti hatásokkal foglalkozó kutatásokban. Magyar Épületgépészet, LII. évf. 2003/12
  • Balázs A., dr. Kajtár L. 2018. Combined Effect of Hot Ceiling and Draught on Thermal Comfort., Indoor Air Conference, Philadelphia, 2018

Magyar Épületgépészet

Hozzászólás

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.

Facebook-hozzászólásmodul