ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ

Transcript

1 Ευρωπαϊκό Ερευνητικό Πρόγραμμα MOVIDA MOVing from Inspection to Domestic Advice by service companies Περνώντας από τις Επιθεωρήσεις στις κατ οίκον Συμβουλές από τις Εταιρείες Παροχής Υπηρεσιών Συντήρησης Εκπαιδευτικό σεμινάριο για Επιθεωρητές συστημάτων Κλιματισμού, Ιούνιος 2013 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ (Air Conditioning Systems) Σημειώσεις Notes Δρ Ιωάννης Μιχαηλίδης Αναπληρωτής Καθηγητής Ιούνιος 2013

2

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Ο τομέας της θέρμανσης, αερισμού και κλιματισμού των κτιρίων αποτελεί ένα από τους ταχύτερα εξελισσόμενους τομείς της σύγχρονης τεχνολογίας. Στη σημερινή εποχή, δεν νοείται κτίριο χωρίς εγκαταστάσεις θέρμανσης, αερισμού και κλιματισμού διότι αυτές είναι στενά συνυφασμένες με την ποιότητα ζωής και την θερμική άνεση του ανθρώπου τόσο στο εργασιακό περιβάλλον όσο και στην κατοικία. Αναγνωρίζοντας τη σημασία αυτή η Ε.Ε, διατύπωσε την Οδηγία περί Ενεργειακής Απόδοσης των Κτιρίων (EPBD) - Οδηγία 2010/31/EU "Recast" (αναδιατύπωση) η οποία προβλέπει ότι τα Κράτη Μέλη οφείλουν να οργανώσουν επιθεωρήσεις των Λεβήτων (Άρθρο 14) και των συστημάτων Κλιματισμού (Άρθρο 15), με σκοπό τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και τον περιορισμό των εκπομπών CO 2. Στόχος της επιθεώρησης των συστημάτων κλιματισμού είναι η ενημέρωση του ιδιοκτήτη αναφορικά με τα περιθώρια εξοικονόμησης ενέργειας που σχετίζονται με την αποτελεσματικότητα του συστήματος κλιματισμού σε σύγκριση με τις ανάγκες του κτιρίου και να παρέχει όπου χρειάζεται συμβουλές για βελτίωση ή αντικατάσταση του συστήματος κλιματισμού ή άλλες εναλλακτικές λύσεις. Στην Κύπρο, το άρθρο 11 των περί «Ρύθμισης της Ενεργειακής Απόδοσης των Κτιρίων Νόμων του 2006 και 2009» (Νόμος) προνοεί ότι για σκοπούς μείωσης της κατανάλωσης της ενέργειας και περιορισμού των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα, τα συστήματα κλιματισμού ονομαστικής ωφέλιμης ισχύος μεγαλύτερης των 12 kw, καθώς και τα συστήματα κλιματισμού που αθροιστικά η ωφέλιμη ονομαστική ισχύς τους σε ένα κτίριο υπερβαίνει τα 50 kw, τυγχάνουν συντήρησης και επιθεώρησης σε τακτά χρονικά διαστήματα. Η παρούσα σειρά σημειώσεων ετοιμάστηκε μέσα στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού Ερευνητικού Προγράμματος MOVIDA και περιέχει βασικά στοιχεία των συστημάτων κλιματισμού τα οποία θα βοηθήσουν τους νέους επιθεωρητές που θα καταρτιστούν στα πλαίσια του εν λόγω προγράμματος να κατανοήσουν τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των διαφόρων συστημάτων κλιματισμού και να μπορέσουν να χρησιμοποιήσουν το ειδικό λογισμικό που ετοιμάστηκε για την επιθεώρηση συστημάτων κλιματισμού ( Τα κεφάλαια που περιλαμβάνονται στις σημειώσεις αυτές είναι παρμένα από τη σειρά σημειώσεων του μαθήματος ΜΜΥ423 Θέρμανση, Αερισμός και Κλιματισμός του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών και Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών. Δρ Ιωάννης Μιχαηλίδης Αναπληρωτής Καθηγητής Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Κύπρου Ιούνιος 2013 MOVIDA_Cooling Inspectors_AC systems Prof. Ioannis Michaelides page 3 of 82

4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΕΣΗ... 7 Εισαγωγή Ρύθμιση της θερμοκρασίας του ανθρώπινου σώματος Παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική άνεση Μεταβολισμός Η θερμοκρασία του αέρα Η θερμοκρασία ακτινοβολίας Η υγρασία του αέρα στο χώρο Η κίνηση και ταχύτητα του αέρα στον χώρο Η ενδυμασία Δείκτες θερμικής άνεσης Η θερμοκρασία σφαιρικού θερμομέτρου O Δείκτης Ενεργούς Θερμοκρασίας Η Προκύπτουσα Θερμοκρασία Θερμοκρασία Άνεσης Χάρτης Θερμικής Άνεσης ASHRAE ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΨΥΚΤΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Εισαγωγή Θερμικό κέρδος και θερμική αποθήκευση Παράγοντες που επηρεάζουν το ψυκτικό φορτίο Εσωτερικά θερμικά κέρδη Φωτισμός Ένοικοι Εξοπλισμός Θερμικά ηλιακά κέρδη διαμέσου διαφανών επιφανειών Συντελεστής σκίασης (shading coefficient, SC) Εξωτερική σκίαση Θερμικά ηλιακά κέρδη διαμέσου αδιαφανών επιφανειών Υπολογισμός του ψυκτικού φορτίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΛΙΜΑΤΙΣΜΟΥ Εισαγωγή Ορισμός και σκοπός ενός συστήματος κλιματισμού Η βασική διάταξη ενός κεντρικού συστήματος κλιματισμού MOVIDA_Cooling Inspectors_AC systems Prof. Ioannis Michaelides page 5 of 82

6 4.3. Εφαρμογές των συστημάτων κλιματισμού Κυριότερα συστήματα κλιματισμού Συστήματα κλιματισμού μόνο με αέρα Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα Υπολογισμός παροχής αέρα προσαγωγής και θερμοκρασίας Αφαίρεση αισθητής θερμότητας Αφαίρεση λανθάνουσας θερμότητας Η γραμμή συνθηκών χώρου (Room condition line) Κλιματιστική διεργασία θερινού κύκλου Κλιματιστική διεργασία θερινού κύκλου χωρίς μεταθερμαντήρα (reheater) Κλιματιστική διεργασία χειμερινού κύκλου Συστήματα σταθερής παροχής αέρα Σύστημα σταθερής παροχής αέρα, μίας ζώνης Σύστημα σταθερής παροχής αέρα με μεταθέρμανση Σύστημα σταθερής παροχής αέρα, διπλού αγωγού Πολυζωνικό σύστημα σταθερής παροχής αέρα Πλεονεκτήματα των συστημάτων σταθερής παροχής αέρα Μειονεκτήματα των συστημάτων σταθερής παροχής αέρα Συστήματα μεταβλητής παροχής αέρα Καταλληλότητα συστημάτων μεταβλητής παροχής αέρα Απλό σύστημα μεταβλητής παροχής αέρα Σύστημα μεταβλητής παροχής αέρα, διπλού αγωγού Σύστημα VAV με τερματικές μονάδες με ενσωματωμένο ανεμιστήρα Πλεονεκτήματα των συστημάτων μεταβλητής παροχής αέρα Μειονεκτήματα των συστημάτων μεταβλητής παροχής αέρα Συστήματα κλιματισμού μόνο με νερό Συστήματα κλιματισμού αέρα νερού Σύστημα με Fan-coil unit και κεντρική παροχή πρωτεύοντα αέρα Σύστημα με τοπικές μονάδες επαγωγής Πλεονεκτήματα των συστημάτων νερού και αέρα-νερού Μειονεκτήματα των συστημάτων νερού και αέρα-νερού Αυτόνομα συστήματα κλιματισμού με απευθείας εκτόνωση Κλιματιστικά δωματίου και μικρών χώρων Αυτόνομες κλιματιστικές συσκευές rooftop Σύστημα κλιματισμού μεταβλητού όγκου ψυκτικού μέσου Πλεονεκτήματα των αυτόνομων συστημάτων απευθείας εκτόνωσης Μειονεκτήματα των αυτόνομων συστημάτων απευθείας εκτόνωσης Συστήματα ανάκτησης ενέργειας Εναλλάκτες θερμότητας αέρα-αέρα Εναλλάκτες θερμότητας αέρα-νερού Αναγεννητικοί εναλλάκτες θερμότητας ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 4.1. Θερμοδυναμικές Ιδιότητες Ατμού (Mayhew & Rogers) ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 4.2. Ψυχρομετρικός Χάρτης CIBSE Γενική Βιβλιογραφία Αναφορές... 81

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΕΣΗ Εισαγωγή Ο βασικός σκοπός του μηχανολόγου μηχανικού που ασχολείται με την μελέτη και το σχεδιασμό συστημάτων αερισμού θέρμανσης και κλιματισμού είναι να δημιουργήσει τις κατάλληλες συνθήκες θερμικής άνεσης σ ένα χώρο. Η θερμική άνεση ορίζεται ως η κατάσταση στην οποία ο ανθρώπινος οργανισμός εκφράζει ικανοποίηση για το θερμικό περιβάλλον του χώρου στον οποίο βρίσκεται. Σ αυτή την κατάσταση, ο ανθρώπινος οργανισμός δεν αισθάνεται την ανάγκη να βρεθεί σε θερμότερο ή ψυχρότερο περιβάλλον Ρύθμιση της θερμοκρασίας του ανθρώπινου σώματος Στα παλιά χρόνια, οι άνθρωποι βασίζονταν πολύ στην κατάλληλη ενδυμασία ως μέσου ρύθμισης της θερμικής τους άνεσης ενώ σήμερα βασίζονται περισσότερο πάνω στην δημιουργία τεχνητού εσωτερικού περιβάλλοντος με τη χρήση συστημάτων αερισμού, θέρμανσης και κλιματισμού. Βέβαια, δεν πρέπει να παραβλέπουμε και τη φύση του ανθρώπινου οργανισμού που με τη βοήθεια φυσιολογικών μηχανισμών διευκολύνεται η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του οργανισμού και του περιβάλλοντος χώρου έτσι ώστε να διατηρείται ένα θερμικό ισοζύγιο στο ανθρώπινο σώμα. Με τη βοήθεια ακούσιων φυσιολογικών μηχανισμών (ρίγος, εφίδρωση, έλεγχο της ροής του αίματος, κλπ.) σε συνδυασμό με την κατάλληλη ενδυμασία ανάλογα με την δραστηριότητα του, ο ανθρώπινος οργανισμός είναι ικανός να διατηρεί την θερμοκρασία του σώματος σταθερή σ ένα ευρύ φάσμα συνθηκών στον περιβάλλοντα χώρο. Ο άνθρωπος ως ομοιόθερμος οργανισμός, διατηρεί σταθερή τη θερμοκρασία του σώματος (ακόμα και όταν οι κλιματολογικές συνθήκες του εξωτερικού περιβάλλοντος δεν το ευνοούν) και ιδιαίτερα εκείνη του λεγόμενου εσωτερικού πυρήνα, δηλαδή οργάνων όπως ο εγκέφαλος, η καρδιά και τα σπλάχνα, που δεν επιδέχονται θερμικές μεταβολές για τη φυσιολογική λειτουργία τους. Σε φυσιολογικές συνθήκες η εσωτερική θερμοκρασία του σώματος ορίζεται στους 36,6 C, με διακυμάνσεις που κυμαίνονται μεταξύ των 36,1 C και των 37,3 C. Η θερμοκρασία στην επιφάνεια του σώματος είναι γύρω στους 33 o C. Το ανθρώπινο σώμα είναι στην ουσία μια μορφή μηχανής εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) η οποία τροφοδοτείται με τροφή και οξυγόνο και μετατρέπει την παραγόμενη ενέργεια σε έργο και θερμότητα. Όσο πιο έντονη είναι η δραστηριότητα του ανθρώπινου σώματος τόσο πιο πολλή θερμότητα παράγεται από τον μεταβολισμό και μεταφέρεται στον περιβάλλοντα χώρο. Κατά τη διάρκεια εκτέλεσης μιας φυσικής δραστηριότητας (εργασίας), το 20% του συνόλου της μεταβολικής ενέργειας που καταναλώνεται μετατρέπεται σε μηχανικό έργο, ενώ το υπόλοιπο 80% αποδίδεται στο ανθρώπινο σώμα ως θερμότητα (μεταβολική θερμότητα δραστηριότητας). Αυτή τη θερμότητα που παράγεται στο ανθρώπινο σώμα, ο οργανισμός πρέπει να αποβάλει στο περιβάλλον, για να διατηρήσει τη θερμική ισορροπία του σώματος. Στο σχήμα 1.1, περιγράφεται ο μηχανισμός θερμικής ισορροπίας στον ανθρώπινο οργανισμό. Το ανθρώπινο σώμα λαμβάνει θερμότητα από δύο βασικά πηγές: Από τον μεταβολισμό, και MOVIDA_Cooling Inspectors_AC systems Prof. Ioannis Michaelides page 7 of 82

8 Από εξωτερικές πηγές (ακτινοβολία από τον ήλιο ή από άλλα θερμότερα σώματα, με επαφή με άλλα θερμότερα σώματα ή με επαγωγή από τον περιβάλλοντα θερμότερο αέρα). Ταυτόχρονα, ο ανθρώπινος οργανισμός αποβάλλει θερμότητα στο περιβάλλον με τους ακόλουθους τρόπους: Με ακτινοβολία προς ψυχρότερες επιφάνειες Με την εξάτμιση της εφίδρωσης από το σώμα Με επαφή με ψυχρότερες επιφάνειες Με τη μεταφορά θερμότητας με επαγωγή (ροή ψυχρού αέρα πάνω από το σώμα). Σχήμα 1.1. Θερμική ισορροπία στο ανθρώπινο σώμα Οι μηχανισμοί με τους οποίους πραγματοποιείται η αποβολή θερμότητας είναι : (i) Η ακτινοβολία (40 50%). Με αυτή γίνεται ανταλλαγή θερμικής ενέργειας, ανάμεσα στην εξωτερική επιφάνεια του σώματος (δέρμα, ενδυμασία) και τις διάφορες επιφάνειες ή σώματα που το περιβάλλουν (τοίχους, εργαλεία, μηχανές κ.λπ.). (ii) Η αγωγή (2-3%). Έτσι, γίνεται μεταφορά θερμικής ενέργειας ανάμεσα στο ανθρώπινο σώμα και τα ακίνητα στερεά ή υγρά σώματα με τα οποία έρχεται σε άμεση επαφή (δάπεδο, καρέκλα, εργαλεία κ.λπ.). (iii) Η μεταφορά (25-30%). Ο αέρας που έρχεται σε επαφή με το δέρμα προσδίδει ή αφαιρεί θερμότητα. Η θερμική ενέργεια που μεταφέρεται εξαρτάται από την ταχύτητα του αέρα, τη θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ του ανθρώπινου σώματος και του αέρα, και από την ένδυση. (iv) Η εξάτμιση του ιδρώτα (25-30%). Αποτελεί το μόνο ενεργό μηχανισμό αποβολής θερμότητας. Ένας υγιής οργανισμός παράγει μέχρι και ένα λίτρο ιδρώτα την ώρα, που αντιστοιχεί στην αποβολή περίπου 675 W θερμικής ενέργειας.

9 Η θερμική ισορροπία του σώματος (θερμορύθμιση), βασίζεται σ ένα πολύπλοκο αυτορρυθμιζόμενο σύστημα που ελέγχεται από τον εγκέφαλο, και συγκεκριμένα από τον υποθάλαμο, και εκφράζεται με το αλγεβρικό άθροισμα του θερμικού ισοζυγίου: S = M W ± R ± C ± K E (1.1) Όπου: S = ρυθμός συσσώρευσης θερμότητας στο σώμα M = ποσότητα μεταβολικής ενέργειας W = μηχανικό έργο R = ανταλλαγή θερμότητας με ακτινοβολία C = ανταλλαγή θερμότητας με μεταφορά Κ = ανταλλαγή θερμότητας με αγωγή Ε = αποβολή θερμότητας με εφίδρωση Προκειμένου να διατηρήσει, ο ανθρώπινος οργανισμός, τη θερμοκρασία του σώματος σταθερή, ενεργοποιεί τους εξής φυσιολογικούς μηχανισμούς: Αυξάνει τη μεταφορά αίματος (μεταφορέας θερμότητας) προς την περιφέρεια και ειδικότερα προς το δέρμα, δια μέσου της διαστολής των αιμοφόρων αγγείων και της αύξησης της καρδιακής συχνότητας, σε μια προσπάθεια ενίσχυσης των παθητικών μηχανισμών της αποβολής θερμότητας (ακτινοβολία, αγωγή, μεταφορά), και Αυξάνει την εφίδρωση δια μέσου της έντονης λειτουργίας των αδένων που εκκρίνουν ιδρώτα (ιδρωτοποιών). Η εξάτμιση του ιδρώτα είναι ο μόνος ενεργός μηχανισμός αποβολής της παραγόμενης θερμότητας, σε ένα θερμό περιβάλλον Παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική άνεση Οι παράμετροι που επηρεάζουν τις συνθήκες θερμικής άνεσης σε ένα χώρο και μπορούν να ρυθμιστούν με τη βοήθεια ενός συστήματος κλιματισμού είναι: Η θερμοκρασία του αέρα στον χώρο (air temperature) Η θερμοκρασία ακτινοβολίας των επιφανειών που περιβάλλουν τον χώρο (radiant temperature) Η υγρασία του αέρα στο χώρο (humidity of air) Η κίνηση και ταχύτητα του αέρα στον χώρο (air movement air velocity) Ο μεταβολισμός και ο βαθμός δραστηριότητας του ατόμου (metabolism and activity) H ενδυμασία του ατόμου (clothing) Ο μεταβολισμός όμως και η θερμοκρασία του σώματος αποτελούν βασικές παραμέτρους που επηρεάζουν την θερμική άνεση. Ισχύουν τα ίδια κριτήρια θερμικής άνεσης σε γυναίκες και άνδρες. Η θερμοκρασία όμως του δέρματος στις γυναίκες και οι θερμικές απώλειες λόγω εφίδρωσης είναι ελαφρώς χαμηλότερα από τους άνδρες, γεγονός που εξισορροπεί τον χαμηλότερο μεταβολισμό στις γυναίκες. Οι γυναίκες συνήθως προτιμούν ψηλότερες θερμοκρασίες λόγω του ελαφρύτερου ρουχισμού που συνήθως χρησιμοποιούν. MOVIDA_Cooling Inspectors_AC systems Prof. Ioannis Michaelides page 9 of 82

10 Μεταβολισμός Ο ανθρώπινος οργανισμός χρειάζεται περισσότερο από 150 W για τη βασική του επιβίωση. Η ποσότητα αυτή αυξάνεται ανάλογα με τον ρυθμό δραστηριότητας του. Ο βασικός ρυθμός μεταβολισμού είναι περίπου 40 W ανά m 2 επιφάνειας του σώματος (κατάσταση ύπνου) και 60 W/m 2 για άτομο καθήμενο σε ηρεμία. Ο ρυθμός μεταβολισμού εξαρτάται από το άτομο, την δραστηριότητα του και τις συνθήκες κάτω από τις οποίες γίνεται μια δραστηριότητα. Στον πίνακα 1.1 παρατίθενται οι ρυθμοί μεταβολισμού για διάφορες δραστηριότητες και διάφορα επαγγέλματα, για ένα μέσο ενήλικα με επιφάνεια σώματος 1,8 m 2 και δραστηριότητα συνεχόμενης διάρκειας. Πίνακας 1.1. Τυπικοί ρυθμοί μεταβολισμού για διάφορες δραστηριότητες (Πηγή: ASHRAE Handbook of Fundamentals 2009) *1 met = 58,1 W/m 2 Δραστηριότητα W/m 2 met* Ξεκούραση Ύπνος 40 0,7 Κατάκλιση 45 0,8 Καθήμενο άτομο, σε ηρεμία 60 1 Ιστάμενο άτομο, χαλαρά 70 1,2 Περπάτημα (σε επίπεδη επιφάνεια) 0,9 m/s 115 2,0 1,34 m/s 150 2,6 1,79 m/s 220 3,8 Δραστηριότητες γραφείου Διάβασμα (καθήμενο άτομο) 55 1,0 Γράψιμο 60 1,0 Πληκτρολόγηση 65 1,1 Αρχειοθέτηση (καθήμενο άτομο) 70 1,2 Αρχειοθέτηση (ιστάμενο άτομο) 80 1,4 Περπάτημα 100 1,7 Ανύψωση/πακετάρισμα 120 2,1 Οδήγηση/Πλοήγηση Αυτοκίνητο ,0-2,0 Αεροσκάφος (κανονική πτήση) 70 1,2 Αεροσκάφος (προσγείωση) 105 1,8 Αεροσκάφος (μαχητικό) 140 2,4 Βαρύ όχημα 185 3,2 Διάφορες επαγγελματικές δραστηριότητες Μαγείρεμα ,6-2,0 Καθαρισμός σπιτιού ,0-3,4 Εργασία μηχανουργείου: επιτραπέζιο πριόνι 105 1,8 Εργασία μηχανουργείου: ελαφριά (ηλεκτρική ,0-2,4 βιομηχανία) Εργασία μηχανουργείου: βαριά 235 4,0 Διάφορες δραστηριότητες ελεύθερου χρόνου Χορός ,4-4,4 Ρυθμική άσκηση ,0-4,0 Τένις, μονό ,6-4,0 Καλαθόσφαιρα ,0-7,6 Πάλη, αγωνιστικά ,0-8,7

11 Η επιφάνεια του ανθρώπινου σώματος (A D ) υπολογίζεται με την εξίσωση του DuBois: A w h 0,425 0,725 D = 0,202 (1.2) Όπου: A D = η επιφάνεια του σώματος, m 2 w = η μάζα του σώματος, kg h = το ύψος του σώματος, m Επιπρόσθετα με την σύνθετη μονάδα W/m 2 που χρησιμοποιείται για τον ρυθμό μεταβολισμού, χρησιμοποιείται επίσης και η μονάδα met που ορίζεται ως ο ρυθμός μεταβολισμού ενός καθήμενου και σιωπηρού ατόμου: 1 met = 58,1 W/m 2. Ένας υγιής άνδρας ηλικίας 20 ετών έχει δυνατότητα μέγιστου ρυθμού μεταβολισμού 12 met, ο οποίος μειώνεται σε 7 met στην ηλικία των 70 ετών. Για τις γυναίκες οι πιο πάνω αριθμοί μειώνονται κατά 30% Η θερμοκρασία του αέρα Η θερμοκρασία ξηρού βολβού του αέρα (Dry Bulb Temperature, DBT) είναι ο πιο απλός και πρακτικός δείκτης της αίσθησης του κρύου ή του ζεστού σε ένα χώρο, κάτω από συνθήκες όπου η ταχύτητα του αέρα δεν είναι υπερβολική και δεν υπάρχουν στο χώρο επιφάνειες με πολύ ψηλές θερμοκρασίες. Για την ακριβέστερη μέτρηση της θερμοκρασίας ξηρού βολβού είναι καλύτερα να χρησιμοποιείται θερμόμετρο τύπου θερμοζεύγους (thermocouple) παρά βολβού, για να αποφεύγεται η απορρόφηση πιθανής ακτινοβολίας από θερμές επιφάνειες στο χώρο. Συνήθως, ανεξάρτητα από τον τύπο του θερμομέτρου που θα χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της θερμοκρασίας, χρησιμοποιείται ειδικό, προστατευτικό κέλυφος για να εμποδίζει την επίδραση της ακτινοβολούμενης θερμότητας. Για ακριβέστερη και πιο αντιπροσωπευτική μέτρηση, το θερμόμετρο τοποθετείται στο ύψος του κεφαλιού και σε απόσταση τουλάχιστον ενός μέτρου από τους τοίχους και τα παράθυρα. Για το κλίμα της Κύπρου και για άνθρωπο ντυμένο, καθισμένο και χωρίς σωματική δραστηριότητα, οι υγιεινολόγοι θεωρούν ως πιο ευνοϊκή θερμοκρασία για τον χειμώνα τους o C ενώ για το καλοκαίρι τους o C. Σε χώρους που εξαερίζονται, η θερμοκρασία που θεωρείται κατάλληλη για τον χειμώνα είναι 22 o C διότι η κίνηση του αέρα δημιουργεί μια πρόσθετη ψύξη που πρέπει να ισοσταθμιστεί από ψηλότερη θερμοκρασία. Εκτός από την αριθμητική τιμή της θερμοκρασίας, είναι πολύ σημαντική και η ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας στο χώρο. Γενικά, σε χώρους που αερίζονται δεν συστήνονται διαφορές μεγαλύτερες από 4 o C ενώ σε χώρους που κλιματίζονται η διαφορά πρέπει να κυμαίνεται στο ±1,5 o C από την ονομαστική τιμή της θερμοκρασίας του χώρου. Επίσης, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο σημείων που βρίσκονται στην ίδια κατακόρυφο με ύψη από το δάπεδο 0,1 m και 1,7 m αντίστοιχα, δεν πρέπει να ξεπερνά τους 3 o C. Για τις εφαρμογές του κλιματισμού συνήθως καθορίζεται η επιθυμητή θερμοκρασία ξηρού βολβού του αέρα του χώρου και η ταυτόχρονη θερμοκρασία υγρού βολβού του αέρα του χώρου ή η σχετική υγρασία του αέρα καθώς και το επιτρεπτό εύρος μεταβολής των τιμών αυτών, όπως περιγράφονται στους πίνακες 1.2 και 1.3. MOVIDA_Cooling Inspectors_AC systems Prof. Ioannis Michaelides page 11 of 82

12 Πίνακας 1.2. Συνιστώμενες συνθήκες σχεδιασμού για κλιματιζόμενους χώρους το χειμώνα Κατηγορία χώρου Θερμοκρασία ( o C) Σχετική υγρασία (%) Κατοικίες Κτήρια γραφείων Βιβλιοθήκες μουσεία Νοσοκομεία Εστιατόρια, κέντρα διασκέδασης Πίνακας 1.3. Συνιστώμενες συνθήκες σχεδιασμού για κλιματιζόμενους χώρους το καλοκαίρι Κατηγορία χώρου Θερμοκρασία ( o C) Σχετική υγρασία (%) Κατοικίες Κτήρια γραφείων Βιβλιοθήκες Μουσεία Εστιατόρια, κέντρα διασκέδασης Νοσοκομεία - Αίθουσες Χειρουργεία Αναρρωτήρια Η θερμοκρασία ακτινοβολίας Η ανταλλαγή ακτινοβολίας μεταξύ διαφόρων επιφανειών σε ένα χώρο αποτελεί σημαντικό παράγοντα στη διαμόρφωση της θερμικής άνεσης στο χώρο. Κρύοι τοίχοι ή παράθυρα μπορεί να κάμουν ένα άτομο να κρυώνει έστω και αν ο αέρας του χώρου είναι σε ικανοποιητική θερμοκρασία. Αντίθετα, ζεστές επιφάνειες όπως τζάκια, θερμάστρες, θερμαινόμενα πατώματα, μπορεί να κάμουν ένα άτομο να αισθάνεται πιο ζεστά από ότι δείχνει το θερμόμετρο του χώρου. Ο βασικός αριθμοδείκτης που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τις συνθήκες ακτινοβολίας σε ένα χώρο είναι η Μέση Θερμοκρασία Ακτινοβολίας (ΜΘΑ) (Mean Radiant Temperature, MRT). Η ΜΘΑ σε ένα χώρο είναι συνάρτηση των θερμοκρασιών ακτινοβολίας όλων των επιφανειών που βρίσκονται στον συγκεκριμένο χώρο. Η ΜΘΑ μπορεί να υπολογιστεί με τη χρήση της ακόλουθης σχέσης: At j j t (1.3) r = A j όπου, t j είναι η θερμοκρασία μιας επιφάνειας j (τοίχος, οροφή, πάτωμα, θερμάστρα, κλπ.) και A j είναι το εμβαδόν της επιφάνειας. Επομένως, η επίδραση της κάθε θερμοκρασίας ακτινοβολίας εξαρτάται από το εμβαδόν της ακτινοβολούσας επιφάνειας. Χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι οργάνων για τη μέτρηση της ΜΘΑ, όμως το πιο απλό και πρακτικό όργανο είναι το σφαιρικό θερμόμετρο του Vernon (Vernon Globe Thermometer), το οποίο αποτελείται από ένα θαμπό μαύρο χάλκινο σφαιρικό κέλυφος, πάχους 0,2 mm και διαμέτρου 150 mm, στο κέντρο του οποίου έχει τοποθετηθεί ο βολβός ενός υδραργυρικού θερμομέτρου (σχ. 1.2).

13 Σχήμα 1.2. Το σφαιρικό θερμόμετρο του Vernon Η υγρασία του αέρα στο χώρο (humidity of air) Η αποβολή θερμότητας από το ανθρώπινο σώμα επιτυγχάνεται κατά ένα μέρος και με την εξάτμιση. Στη θερμοκρασία των 20 έως 22 C, το ποσό της θερμότητας που απάγεται με εξάτμιση είναι πολύ μικρό. Στις θερμοκρασίες αυτές τα όρια της σχετικής υγρασίας είναι το κατώτερο 30% (κάτω από το οποίο σχηματίζεται σκόνη, δημιουργείται στατικός ηλεκτρισμός, ξηραίνονται οι βλεννογόνοι), και το ανώτερο 70% (πάνω από το οποίο δημιουργείται συμπύκνωση υδρατμών, σχηματίζεται μούχλα, εμφανίζονται οσμές που ερεθίζουν τα οσφρητικά όργανα του ανθρώπου). Αντίθετα όταν η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη, η επίδραση της υγρασίας γίνεται σημαντική, επειδή αυξάνει έντονα η εξάτμιση από την επιδερμίδα. Σημαντικό είναι να αποφεύγονται καταστάσεις που εμποδίζουν την εξάτμιση από το ανθρώπινο σώμα (υψηλή θερμοκρασία με αυξημένη υγρασία). Στα επίπεδα θερμοκρασίας των 24 έως 26 C τα όρια της σχετικής υγρασίας κυμαίνονται από 40% έως 60%. Σύμφωνα όμως με την ASHRAE, η σχετική υγρασία σε καμιά περίπτωση δεν πρέπει να ξεφεύγει από το όριο 30% - 70% Η κίνηση και ταχύτητα του αέρα στον χώρο (air movement air velocity) Για μελέτες θερμικής άνεσης, η τιμή της ταχύτητας του αέρα στον χώρο είναι αρκετή για να περιγράψει την ψυκτική ή την θερμική επίδραση του κινούμενου αέρα. Το εύρος της ταχύτητας του κινούμενου αέρα σε εσωτερικούς χώρους κυμαίνεται μεταξύ 0,1 και 1 m/s. Αν η ταχύτητα διακίνησης του αέρα είναι χαμηλότερη από 0,1 m/s αυτό είναι ένδειξη φυσικής (αβίαστης) κυκλοφορίας. Η κίνηση του αέρα επιδρά σημαντικά στο αίσθημα της θερμικής άνεσης του ανθρώπου. Σε κλειστούς χώρους ο άνθρωπος είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος στην κίνηση του αέρα. Η πιο ενοχλητική κατάσταση είναι η περίπτωση κατά την οποία ο αέρας που κινείται να έχει θερμοκρασία μικρότερη από τον αέρα του χώρου (ψυχρό ρεύμα) και να συναντά ένα ορισμένο μέλος του ανθρώπινου σώματος από μιαν ορισμένη διεύθυνση. Αντίθετα, όταν η θερμοκρασία του αέρα είναι ψηλότερη από τη θερμοκρασία του δέρματος του MOVIDA_Cooling Inspectors_AC systems Prof. Ioannis Michaelides page 13 of 82

14 ανθρώπου, κάθε αύξηση της ταχύτητας του αέρα γύρω από το σώμα συμβάλλει προς την κατεύθυνση της ανέσεως. Σχήμα 1.3. Συσχετισμός θερμοκρασίας και ταχύτητας του αέρα για θερμική άνεση (Πηγή: LANDIS & GYR) Στο σχήμα 1.4, η καμπύλη Α δείχνει την μέγιστη επιτρεπόμενη ταχύτητα, σύμφωνα με το πρότυπο DIN Criteria, σε σχέση με την θερμοκρασία του κινούμενου αέρα, όταν η θερμοκρασία του χώρου βρίσκεται στα επιθυμητά επίπεδα. Από το σχήμα φαίνεται ότι ο αυχένας (back of the neck) είναι πολύ πιο ευαίσθητος στην ταχύτητα του κινούμενου αέρα (καμπύλη Β). Σχήμα 1.4. Κριτήριο DIN για την ταχύτητα διακίνησης του αέρα Βέβαια, η επίδραση της ταχύτητας στη θερμική άνεση ενός χώρου εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως π.χ. από το είδος του χώρου, από τα άτομα που ζουν και εργάζονται μέσα στο χώρο, από τη διάρκεια παραμονής τους στο χώρο κ.ά. (πίνακας 1.4). Γενικά η επιτρεπτή ταχύτητα του αέρα για θερμοκρασίες C είναι περίπου 0,15 έως 0,25 m/s. Σε χώρους με μεγάλη πυκνότητα όπου οι άνθρωποι κινούνται συνεχώς (π.χ. εμπορικά καταστήματα) επιτρέπεται μεγαλύτερη ταχύτητα του αέρα.

15 Πίνακας 1.4. Ενδεικνυόμενες ταχύτητες του αέρα σε εσωτερικούς χώρους (ΤΟΤΕΕ 2423/86) Ταχύτητα αέρα (m/s) 0-0,08 Επίδραση Παράπονα για έλλειψη κίνησης του αέρα Ιδανική κατάσταση 0,125 Ιδανική κατάσταση 0,125-0,25 0,325 0,375 0,373-1,5 Πολύ ικανοποιητική κατάσταση αλλά η ταχύτητα των 0,25 m/s πλησιάζει τη μέγιστη επιτρεπόμενη για άτομα που κάθονται Όχι ικανοποιητική για χώρους γραφείων. Ο αέρας παρασύρει ελαφριά χαρτιά από τα γραφεία Μέγιστη επιτρεπόμενη ταχύτητα για άτομα που κινούνται Επιτρεπόμενη μόνο για βιομηχανικές εφαρμογές Συνιστώμενη χρήση Καμία Για όλες τις εφαρμογές Για όλες τις εφαρμογές Εμπορικά καταστήματα * Οι πιο πάνω ταχύτητες αναφέρονται στη ζώνη διακίνησης και δραστηριότητας των ατόμων κάθε χώρου (από το δάπεδο μέχρι 2 m ύψος περίπου) Για τη μέτρηση της ταχύτητας του αέρα χρησιμοποιείται συνήθως το θερμόμετρο Kata (Kata thermometer), το οποίο επιτρέπει την ακριβή μέτρηση της ταχύτητας του αέρα (κυρίως χαμηλές ταχύτητες) και τη δύναμη ψύξης του αέρα (air cooling power). Το θερμόμετρο Kata αποτελείται από ένα βολβό αλκοόλης με διάμετρο 20 mm και μήκος 40 mm και γυάλινο στέλεχος με μόλις δύο διαβαθμίσεις που αντιστοιχούν σε πτώση 3 C. Το θερμόμετρο θερμαίνεται σε ζεστό νερό και στη συνέχεια αφήνεται να κρυώσει, και σημειώνεται ο χρόνος πτώσης της θερμοκρασίας από τη μια διαβάθμιση στην άλλη (συνήθως από 38 C σε 35 C). Η ταχύτητα του αέρα υπολογίζεται με μαθηματική εξίσωση. Το θερμόμετρο Kata χρησιμοποιεί αλκοόλ με απλό ή επάργυρο βολβό. Ο επαργυρωμένος βολβός χρησιμοποιείται για να περιορίσει την επίδραση της θερμικής ακτινοβολίας από τις γύρω επιφάνειες Η ενδυμασία (clothing) Η ενδυμασία περιορίζει τη μεταφορά θερμότητας και υγρασίας από και προς το ανθρώπινο σώμα. Η θερμική ικανότητα της ενδυμασίας αξιολογείται με τη χρήση της εμπειρικής μονάδας clo (1 clo = 0,155 o C m 2 /W). Για σκοπούς σύγκρισης, ένα χειμερινό κοστούμι έχει θερμομόνωση 1 clo σε σύγκριση με 0,5 clo που έχει ένα κοντομάνικο πουκάμισο με παντελόνι. Πίνακας 1.5. Τιμές clo, ανάλογα με το είδος του ρουχισμού Τύπος ενδυμασίας Clo Γυμνός 0 Ημίγυμνος με κοντό παντελόνι 0,1 Ένδυμα τροπικού κλίματος 0,3 Ελαφρύ θερινό ένδυμα 0,5 Ελαφριά ένδυση εργασίας 0,6 Βαρύ ένδυμα χειμερινού κλίματος 1,2 Χειμερινή ένδυση εργασίας 1,0 Πολικό ντύσιμο 3-4 Πρακτικά το μέγιστο 5 MOVIDA_Cooling Inspectors_AC systems Prof. Ioannis Michaelides page 15 of 82

16 1.3. Δείκτες θερμικής άνεσης (Thermal Indices) Λόγω του γεγονότος ότι η θερμική άνεση του ανθρώπου σε ένα χώρο εξαρτάται από διάφορους παράγοντες και παραμέτρους, όπως έχει περιγραφεί προηγουμένως, έγιναν πολλές προσπάθειες για την κωδικοποίηση ενός θερμικού δείκτη ο οποίος να συνδυάζει την επίδραση όλων ή τουλάχιστο των πιο πολλών από αυτούς τους παράγοντες. Έχουν αναπτυχθεί διάφοροι δείκτες οι οποίοι διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με το σκεπτικό που χρησιμοποιήθηκε στην ανάπτυξη τους, οι λογικοί και οι εμπειρικοί. Οι λογικοί δείκτες εξαρτώνται από τις θεωρητικές αρχές που έχουν ήδη αναπτυχθεί ενώ οι εμπειρικοί δείκτες στηρίζονται στις μετρήσεις σε αντικείμενα ή απλές σχέσεις που δεν μπορούν απαραίτητα να ακολουθήσουν τη θεωρία Η θερμοκρασία σφαιρικού θερμομέτρου (Globe Temperature, t g ) Η θερμοκρασία σφαιρικού θερμομέτρου κυμαίνεται συνήθως μεταξύ της θερμοκρασίας ξηρού βολβού του αέρα και της μέσης θερμοκρασίας ακτινοβολίας σε ένα χώρο. Χρησιμοποιείται η πιο κάτω εξίσωση η οποία συνδυάζει τρεις από τις παραμέτρους που επηρεάζουν το θερμικό περιβάλλον: Όπου: t +2,35 t r a v t= g 1+2,35 v t g = θερμοκρασία σφαιρικού θερμομέτρου ( o C) t r = μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας ( o C) t a = θερμοκρασία ξηρού βολβού του αέρα ( o C) v = ταχύτητα του αέρα, m/s (1.4) O Δείκτης Ενεργούς Θερμοκρασίας (Effective Temperature, ET) O Δείκτης Ενεργούς Θερμοκρασίας (ΕΤ), συνδυάζει σε μία και μόνο τιμή το θερμικό αίσθημα που προέρχεται από τη θερμοκρασία του αέρα, την υγρασία και την ταχύτητα του αέρα. Ο δείκτης προέκυψε από τα πειράματα του YAGLOU και βασίζεται στο υποκειμενικό αίσθημα που προκαλεί ο συνδυασμός των διαφόρων παραγόντων στον άνθρωπο. Είναι ο παλαιότερος αλλά και ο δείκτης θερμικής άνεσης με την ευρύτερη χρήση. Συνδυάζει την θερμοκρασία του αέρα, την υγρασία του αέρα, και την ταχύτητα του αέρα. Ο δείκτης δεν λαμβάνει υπόψη τη θερμική ακτινοβολία. Προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αδυναμία αυτή, προτάθηκε ο δείκτης Διορθωμένης Ενεργούς Θερμοκρασίας (CET- Corrected Effective Temperature), όπου στη θέση της θερμοκρασίας του ξηρού θερμομέτρου θέτουμε τη θερμοκρασία του σφαιρικού θερμομέτρου Η Προκύπτουσα Θερμοκρασία (Resultant Temperature, t res ) Ο δείκτης αυτός δημιουργήθηκε από τον Missenard το 1935 και σήμερα χρησιμοποιείται σε δύο μορφές, του ξηρού βολβού και του υγρού βολβού. Η πρώτη λαμβάνει υπόψη την θερμοκρασία του αέρα, την ακτινοβολία και την ταχύτητα του αέρα, ενώ η δεύτερη περιλαμβάνει επίσης και την υγρασία. Η μέτρηση της προκύπτουσας θερμοκρασίας ξηρού βολβού (dry resultant temperature) γίνεται με τη χρήση ειδικού θερμομέτρου το οποίο αποτελείται από μια θαμπή μαύρη χάλκινη σφαίρα, πάχους 0,2 mm και διαμέτρου 10 cm, στο κέντρο της οποίας έχει τοποθετηθεί ο βολβός ενός υδραργυρικού θερμομέτρου.

17 Όπου: t res tr + 3,17 ta v = 1+ 3,17 v (1.5) t g = θερμοκρασία σφαιρικού θερμομέτρου ( o C) t r = μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας ( o C) t a = θερμοκρασία ξηρού βολβού του αέρα (προκύπτουσα θερμοκρασία) v = ταχύτητα του αέρα, m/s Όταν η ταχύτητα του αέρα είναι 0,1 m/s, έχουμε: t = 0,5t + 0,5 t (1.6) res r a H προκύπτουσα θερμοκρασία (t res ), χρησιμοποιείται ως ένας καλός δείκτης θερμικής άνεσης για όλο το σώμα, για τις πιο πολλές περιπτώσεις θέρμανσης. Τα ακόλουθα κριτήρια εφαρμόζουν σε περιπτώσεις ατόμων με κανονική ενδυμασία, σε καθιστική εργασία σε γραφείο, όπου η θερμική απώλεια με συναγωγή και ακτινοβολία είναι της τάξεως των 65W και 83 W. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, τα κριτήρια της προκύπτουσας θερμοκρασίας είναι: (i) 19 o C t res 23 o C (ii) Ταχύτητα αέρα 0,1 m/s (iii) Σχετική υγρασία μεταξύ 40% και 70% Θερμοκρασία Άνεσης (Comfort Temperature, t comf ) Η αίσθηση της θερμικής άνεσης είναι πολύ υποκειμενική και δύσκολο να μετρηθεί. Διάφορες μελέτες όμως απέδειξαν ότι ένα περιβάλλον είναι θερμικά άνετο αν το 90% των ανθρώπων που βρίσκονται σ αυτό νοιώθουν άνετα. Με βάση αυτή την παραδοχή, δημιουργήθηκε ένας νέος δείκτης γνωστός ως θερμοκρασία άνεσης (comfort temperature, t comf ) για τον υπολογισμό της οποίας λαμβάνονται υπόψη η θερμοκρασία του αέρα, η θερμοκρασία ακτινοβολίας, η υγρασία και η ταχύτητα του αέρα. Όπου: t comf ta tr v 0,13 ϕ 50 = (1.7) 2 2 0,15 25 t a = θερμοκρασία ξηρού βολβού του αέρα ( o C) t r = μέση θερμοκρασία ακτινοβολίας ( o C) v = ταχύτητα του αέρα (m/s) φ = σχετική υγρασία του αέρα (%) Η πιο πάνω σχέση ισχύει με τις ακόλουθες προϋποθέσεις: t comf : o C t a - t r : 3 Κ v : 0 0,25 m/s φ : 35 75% 1.4. Χάρτης Θερμικής Άνεσης ASHRAE Επειδή οι άνθρωποι χρησιμοποιούν διάφορα είδη ένδυσης ανάλογα με τις καιρικές συνθήκες και τη δραστηριότητα τους, το πρότυπο ASHRAE 55 καθορίζει ζώνες θερμικής άνεσης για άτομα με τυπικό καλοκαιρινό και χειμερινό ρουχισμό και καθιστική δραστηριότητα όπως φαίνεται στο διάγραμμα του σχήματος 1.5. Οι διακυμάνσεις βασίζονται κατά ένα 10% στο κριτήριο δυσαρέσκειας. MOVIDA_Cooling Inspectors_AC systems Prof. Ioannis Michaelides page 17 of 82