POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Adres: ul. Łukasiewicza 17 p.123 09-400 Płock, Polska
Tel./faks +48 024-367-21-14, e-mail:zinstbud@pw.plock.pl
INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA
LABORATORYJNEGO NR 3
Z FIZYKI BUDOWLI
Zakład Instalacji Budowlanych
i Fizyki Budowli
1
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Komfort cieplny i jakość powietrza w pomieszczeniu
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z tematyką mikroklimatu pomieszczeń i komfortem cieplnym ludzi w nich przebywających oraz wyliczenie wartości wskaźnika van Zuilen’a i pomiar stężenia CO2 i O2 w powietrzu wewnętrznym.
3. Zakres ćwiczenia
Zakres ćwiczenia obejmuje wykonanie pomiaru temperatury i wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu oraz temperatury powierzchni przegród otaczających pomieszczenie, jak również pomiaru prędkości przepływu mas powietrza za pomocą aparatury pomiarowej.
Następnie zaś obliczenie wskaźnika komfortu cieplnego wg van Zuilen’a.
W zakres ćwiczenia wchodzi również pomiar stężenia CO2 i O2 w pomieszczeniu.
4. Podstawy teoretyczne
Definicje podstawowych pojęć (z literatury przedmiotu: L. Wolski „Fizyka obiektów rolniczych”
PWN 1987; S. Grabarczyk „Fizyka budowli. – komputerowe wspomaganie projektowania budownictwa energooszczędnego.” OW PW 2005; J. Pogorzelski „Fizyka budowli”; T.
Kisielewicz, „Fizyka cieplna budowli” – Kraków 1998):
− mikroklimat – parametry i czynniki,
− komfort cieplny,
− stężenie dwutlenku węgla i tlenu w pomieszczeniu
2
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
5. Opis i charakterystyka aparatury pomiarowej oraz wykonanie
pomiarów
Termohigrometry i pirometry według instrukcji do ćwiczeń nr 1 i 2
Mierniki gazów
Rys. 1
Mikroprocesorowy miernik gazów typ IRM-2
Miernik IRM-2 jest przenośnym miernikiem gazów. Przeznaczony jest one głównie do pomiaru zawartości dwutlenku węgla (CO2) w powietrzu, oraz ma możliwość pomiaru dodatkowego medium toksycznego lub tlenu. Do pomiaru dwutlenku węgla używany jest czujnik absorpcyjny w paśmie podczerwieni (selektywność pomiaru CO2), natomiast do pomiaru gazów toksycznych lub tlenu, czujniki elektrochemiczne. Pomiar obu mediów dokonywany jest w czasie rzeczywistym, wykrywane są przekroczenia zadanego poziomu progowego z jednoczesnym zasygnalizowanie tego akustycznie i optycznie. Miernik zapamiętuje wartości maksymalne, minimalne i średnie w czasie swojej pracy, oraz posiada pamięć wartości cząstkowych (2880
pomiarów dla każdego medium z datą i czasem zapisu). Standardowo posiada też możliwość komunikacji z komputerem przez łącze RS232C.
3
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Dane techniczne mikroprocesorowego miernika gazów typu IRM-2.
PARAMETR
WARTOŚĆ
Ilość mediów pomiarowych
CO2 + 1 dodatkowe (opcja)
CO2 – 0-5% (standard);
Rodzaj i zakres mierzonych mediów
O2 – 0-25%;
TOX – patrz tabela
CO2 – absorpcyjny w paśmie
Rodzaj stosowanych czujników
podczerwieni;
TOX i O2 – elektrochemiczny
Czas życia czujników
12-36 m-cy
ustawiany w całym zakresie
Poziom progu alarmowego
pomiarowym
Sygnalizacja alarmu
akustyczno-optyczna
Indykacja wskazań
alfanumeryczny wyświetlacz LCD
Pamięć danych
2880 wyników/medium
Zasilanie systemu
pakiet akumulatorów
Czas pracy ciągłej
około 8h
Tryb pracy
epizodyczny
Zakres temp. pracy
-5°C do +40°C
Od 30% do 90%Rh (bez
Zakres wilgotności pracy
kondensacji)
Stopień ochrony obudowy
IP54
Wymiary (max)
180x100x47 mm
Waga
około 600g
ładowarka do akumulatorów
Wyposażenie standardowe
etui ze skóry
Istnieje możliwość przesłania do komputera danych cząstkowych z pamięci miernika, możliwość ustawiania progów alarmowych przez użytkownika, podtrzymanie pamięci wewnętrznej i pracy zegara po wyłączeniu miernika.
Ø Zastosowany czujnik CO2 jest czujnikiem absorpcyjnym w paśmie podczerwieni. Zapewnia on selektywny pomiar dwutlenku węgla (bez skrośnych czułości na inne gazy). Budowa czujnika zapewnia też kompensację wpływu czynników klimatycznych.
Ø Czujniki pozostałych gazów są czujnikami elektrochemicznymi, których kompensacja wpływu czynników klimatycznych (temperatury) realizowana jest w oparciu o pomiar temperatury otoczenia.
Ø Wszystkie informacje wyświetlane są na wyświetlaczu alfanumerycznym 2x16 znaków.
Wyświetlacz jest podświetlany, co umożliwia pracę przy ograniczonym dostępie światła.
4
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
6. Opis przeprowadzenia ćwiczenia
• Wyznaczenie siatki pomiarowej na powierzchniach przegród otaczających pomieszczenie – temperatura promieniowania,
• Wyznaczenie siatki pomiarowej w pomieszczeniu – temperatura i wilgotność względna powietrza,
• Wyznaczenie płaszczyzn na wysokości pomieszczenia - stężenie CO2 i O2
• Wykonanie pomiaru w każdym z punktów siatki pomiarowej,
• Zestawienie wyników pomiarów,
• Wykonanie ankiety sondażowej na temat indywidualnych odczuć osób
przebywających w pomieszczeniu, co do komfortu cieplnego.
25
26
27
24
23
2
19
20
2
18
16
17
14
1
1
11
10
12
9
8
7
5
4
6
1
2
3
5
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
TABLICA
1
5
Ściana S1
OKNO
2
4
3
DRZWI
Ściana S2
7. Wyniki badań
− Średnia temperatura w pomieszczeniu.
− Średnia temperatura powierzchni przegród.
− Prędkość przepływu mas powietrza.
− Wilgotność względna powietrza w pomieszczeniu.
− Zawartość pary wodnej w powietrzu.
− Średnie stężenie CO2 i O2 w powietrzu wewnętrznym
Wskaźnik komfortu cieplnego - S:
S=C+0,25*(t+tr)+0,1*x-0,1*(37,8-t)*(v)1/2
t – temperatura powietrza [oC],
tr – temperatura powierzchni przegród [oC],
x – zawartość pary wodnej w powietrzu [g/kg],
v- prędkość przepływu mas powietrza [m/s],
C – stała równa
-dla okresu grzewczego: -9,2,
6
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- poza tym okresem :-10,6
Zestawienie wyników w formie tabelarycznej
Średnia
Zawartość
Średnia
temperat
Prędkość
pary
temperat
ura
Wilgotność
Średnie
Średnie
przepływ
wodnej w
Lp
ura
powierzc
względna
stężenie
stężenie
u mas
powietrzu
powietrza
hni
[%]
CO2
O2
v [m/s]
x
t [oC]
przegród
[g/kg]
tr [oC]
8. Analiza wyników badań
Skala odczuć cieplnych według van Zuilen’a:
Skala - S
Odczucia cieplne
3
o wiele za ciepło
2
za ciepło
1
ciepło, ale przyjemnie
0
przyjemnie
-1
chłodno, ale przyjemnie
-2
za zimno
-3
o wiele za zimno
Porównanie wyników obliczeń z wynikami ankiety sondażowej.
Porównanie stężenia CO2 z minimum higienicznym oraz z kryterium dobrej jakości powietrza.
9. WNIOSKI
7
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
MATERIAŁY UZUPEŁNIAJACE DO ĆWICZENIA NR 3
System wentylacyjny ma za zadanie doprowadzenie odpowiedniego strumienia powietrza dla zapewnienia komfortowych warunków środowiska w pomieszczeniu, lecz również ważna jest także jakość powietrza wewnętrznego ze względów zdrowotnych.
System wentylacyjny jako połączenie rozwiązań mechanicznych i budowlanych zapewniających komfort cieplny przy zachowaniu oszczędności energii obecnie przekształca się w działalność, której celem jest zdrowie i dobre samopoczucie użytkowników pomieszczeń.
Współcześnie realizuje się to w obrębie interdyscyplinarnej dziedziny naukowej „jakość powietrza wewnętrznego” (ang. indoor air quality - IAQ). W jej zakresie znajduje się wiedza inżynierska (budownictwo, inżynieria materiałowa, inżynieria sanitarna) konfrontowana z doświadczeniem z
innych
specjalistycznych dziedzin
jak:
fizjologia, toksykologia,
epidemiologia, psychologia, chemia, mikrobiologia [46].
W powietrzu wewnętrznym mogą się znajdować szkodliwe czynniki powodujące pogorszenie jego jakości do poziomu nieakceptowanego przez człowieka [31, 46, 47].
Do najbardziej szkodliwych zanieczyszczających czynników w powietrzu można zaliczyć:
-
zanieczyszczenia
powietrza
atmosferycznego
(skażenia
przemysłowe
z okolicznych zakładów, pyły, zarodniki roślin),
-
zanieczyszczenia emitowane w procesie produkcji, materiałów budowlanych
budynków oraz materiałów wykończeniowych zainstalowanych w danym środowisku
przebywania człowieka,
-
zanieczyszczenia wytwarzane podczas procesów wynikających z obecności
człowieka (spalanie gazu, palenie tytoniu, sprzątania, gotowania, prac remontowych, etc.),
-
zanieczyszczenia mikrobiologiczne (kurz, grzyby, drożdżaki, pleśnie, bakterie, odpady zwierzęce, itp.).
8
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
W pomieszczeniach wielkokubaturowych najważniejszymi zanieczyszczeniami są zanieczyszczenia wytwarzane podczas procesów wynikających z obecności człowieka oraz zanieczyszczenia mikrobiologiczne.
Stosowane w pomieszczeniach środki czystości, kleje, farby, materiały budowlane, izolacyjne, wykładziny podłogowe wydzielają toksyny, które są niewidoczne, często bezzapachowe, a mimo to ujemnie wpływają na zdrowie. Również wszelkie udogodnienia wprowadzane w budownictwie, takie jak piece grzewcze oraz promienniki sprawiają, że w pomieszczeniach znajdują się produkty spalania gazu. Ilość nagromadzonych zanieczyszczeń powoduje, że posiadanie sprawnej wentylacji to nie luksus, ale potrzeba wynikająca z ochrony zdrowia i życia [31, 48].
Stosowanie nowoczesnych materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych spowodowało, że nowe lub też remontowane budynki są bardzo szczelne, a tym samym energooszczędne.
Budownictwo charakteryzuje się obecnie dążeniem do zmniejszenia wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło. Stosowane okna i drzwi mają niski współczynnik przenikania ciepła, oraz mały współczynnik infiltracji powietrza. W obecnie wznoszonych budynkach, charakteryzujących się dobrą izolacyjnością cieplną przegród, tradycyjny system wentylacji naturalnej zużywałby około 50-60% energii cieplnej przeznaczonej do ogrzewania budynku (przyjmując minimalną intensywność wentylacji wymaganą Polską Normą). Dzięki ograniczeniu wymiany powietrza w budynkach zmniejsza się oczywiście zużycie energii na cele wentylacji, ale
pogarsza
się
jakość
powietrza
w
budynku.
Nowoczesne
technologie
w budownictwie przyczyniły się do złego funkcjonowania wentylacji. Szczelność budynków uniemożliwia poprawne działanie wentylacji grawitacyjnej, ponieważ nie zapewnienia dopływu powietrza.
Szczelne
okna
nie
powinny
być
stosowane
w
pomieszczeniach
z wentylacją naturalną. Efektem ubocznym stosowanych rozwiązań są skargi użytkowników takich budynków na złe samopoczucie. Otwieranie okien powoduje to, że budownictwo z założenia energooszczędne, w praktyce wcale takie nie jest.
Kanały wentylacji grawitacyjnej są uwzględniane w projektach, jednak nie są w stanie spełniać przewidzianych dla nich funkcji. W budynkach już istniejących, czy też poddawanych renowacji, występuje konieczność doprowadzenia powietrza zewnętrznego do pomieszczeń.
9
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
W źle wentylowanych pomieszczeniach pogarsza się jakość powietrza. Ich użytkownicy mogą
narzekać
na
ból
głowy,
pieczenie
oczu,
ogólne
zmęczenie,
trudności
z koncentracją i wiele innych symptomów związanych z podwyższonym poziomem stężenia zanieczyszczeń. Obserwuje się zwiększoną ilość przypadków astmy, różnego rodzaju alergii oraz infekcji dróg oddechowych. Coraz częściej obserwowane są przypadki rozwoju grzybów pleśniowych, które mogą prowadzić do korozji biologicznej elementów konstrukcji budynków
[48].
W krajach Unii Europejskiej już dawno zrezygnowano z dążenia do maksymalizacji efektów energetycznych z tytułu ograniczania „strat na wentylację”. Praktyka wykazała, że ograniczanie ilości powietrza wentylacyjnego jest krótkowzroczne, a chwilowe korzyści owocują kilkakrotnie większymi stratami, jeśli spojrzeć na sprawę od strony stanu technicznego budynku oraz zdrowia jego użytkowników [48].
Badaniami nad jakością powietrza wewnętrznego interesowano się już w I połowie XIX
wieku:
Max Pettenkofer (1818-1901), który określił:
-
wymóg minimum higienicznego: ≤ 1000 ppm CO2 (uznawany do dziś za kryterium jakości powietrza),
-
wymóg dobrej jakości powietrza: ≤ 700 ppm CO2,
oraz Elias Heyman (1829-1889) z Instytutu Karolinska w Szwecji, który prowadził badania stężenia CO2 w szkołach i stwierdził, że w pomieszczeniach:
-
bez wentylacji stężenie CO2 wynosi około 5000 ppm;
-
z nieznaczną wentylacją stężenie CO2 kształtuje się na poziomie 1500-3000 ppm.
W pomieszczeniach zaliczanych do pomieszczeń użyteczności publicznej takich, jak kościół, sala teatralna, kinowa, sportowa czy widowiskowa źródłem emisji CO2 są zwykle ludzie okresowo korzystający z tych budynków, przy czym CO2 jest w naturalny sposób generowany przez metabolizm człowieka. Ludzie wydychają dwutlenek węgla - oddech średnich dorosłych zawiera około 35 do 50 ppm CO2. W pomieszczeniu człowiek w pozycji siedzącej wydziela około 18 litrów CO2 na godzinę tj. 0,005 l/s. Usunięcie tego zanieczyszczenia wymaga doprowadzenia do pomieszczenia 20-30 m3/h na osobę powietrza świeżego o klasycznej 10
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
zawartości tlenu. Dzięki temu można utrzymać dopuszczalną koncentrację CO2 w pomieszczeniu na poziomie 0,1%.
Stężenie dwutlenku węgla od 2500 ppm do 5000 ppm w powietrzu wewnętrznym może
spowodować bóle głowy i pieczenie oczu. W warunkach extremalnych nadmiar tego gazu (hiperkapnia, hiperkarbia) wywołuje pogłębienie i przyspieszenie oddychania, a następnie porażenie ośrodka oddechowego, utratę przytomności i bezdech [31, 47, 48].
Dlatego ważne jest zwrócenie uwagi na jakość powietrza jako jednego z czynników mikroklimatotwórczych.
11
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com