آسایش حرارتی چیست

در این مقاله به بررسی مفهوم آسایش حرارتی پرداخته تمامی عواملی که بر آن تاثیر می گذارد را بررسی می کنیم. بعد از خواندن این مقاله به صورت علمی، با این مفهوم آشنا شده دید مناسبی نسبت به این موضوع پیدا خواهید کرد.

مفهوم آسایش حرارتی

وضعیت آسایش حرارتی اغلب با استفاده از سیستم تهویه مطبوع کنترل می شود. البته معماری ساختمان نیز می تواند تاثیر قابل ملاحظه ای در تامین آسایش حرارتی ساکنان ساختمان داشته باشد. بخش عمده مطالبی که در مقاله مطرح شده است مبتنی بر استاندارد 2004-ASHRAE55، آسایش حرارتی محل زندگی انسان، می باشد که در این فصل به طور خلاصه آن را استاندارد ASHRAE55 می نامیم. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه می توانید به هندبوک ASHRAE Fundamentals مراجعه نمایید.

استاندارد ASHRAE55 آسایش حرارتی را این گونه توصیف می کند: شرایط حرارتی که ذهن انسان با آن سازگار بوده که ارزش گذاری آن هم ذهنی است و در آن معیاری برای ارزش گذاری وجود ندارد. در نتیجه تحقیقات انجام شده و مدل های عددی ساخته شده حاصل از پرسش هایی است که از افراد مختلف در شرایط گوناگون پرسیده شده است.

برای اطلاعات بیشتر می توانید مقاله مقدمه ای بر تهویه مطبوع را نیز مطالعه کنید. در بخش بعد با هفت عامل موثر در شرایط آسایش حرارتی آشنا شده و سپس به تعریف آسایش حرارتی می پردازیم.

هفت عامل موثر بر آسایش حرارتی

ما با تجربه خود هم می توانیم شناختی از آسایش حرارتی داشته باشیم. فعالیت ما را گرم می کند یا لباس گرم در مکان سرد احساس خوبی به ما می دهد. گاهی کنار گرمای آتش احساس راحتی داریم و گاهی برای احساس بهتر شرایط خنک تری را برای خود فراهم می کنیم. در مجموع هریک از ما هفت عامل در راحتی حرارتی را تجربه کرده ایم.

عوامل شخصی:

1. میزان فعالیت
2. پوشش

ویژگی های فردی:

3. حساسیت ها و انتظارات

شرایط محیطی و تاثیر معماری:

4. دمای هوا
5. میزان تشعشع حرارتی
6. میزان رطوبت
7. سرعت هوا

1- سطح فعالیت

بدن انسان پیوسته از خود حرارت ساطع می کند که این حرارت ناشی از سوخت و ساز بدن یا متابولیسم است. این حرارت برای حفظ دمای داخل بدن و یکسان نگه داشتن آن در یک شرایط راحت است. در هنگام خواب میزان تولید حرارت بدن به حداقل می رسد. با افزایش فعالیت بدن، مثل راه رفتن و دویدن تولید حرارت متابولیک بدن افزایش می یابد. واحد اندازه گیری حرارت متابولیک بدن است که برابر با نرخ متابولیک (گرمای خارج شده در هر واحد پوست بدن) برای فردی در حالت نشسته و در حال استراحت در نظر گرفته شده است. چند نوع فعالیت معمول و میزان واحد مت آن ها در شکل 1 آمده است.

2- پوشش

لباس مانند یک عایق عمل می کند. در هوای سرد با پوشیدن لباس می توانیم احساس راحتی داشته باشیم و از حرارت تولید شده بدن استفاده کنیم. برای پیش بینی آسایش حرارتی باید از عادات پوششی منطقه مورد نظر اطلاع داشت. برای هر لباس واحدی به نام کلو وجود دارد که نشان دهنده میزان عایق بودن آن است. جمع مقادیر کلو برای چند نوع لباس معمول در شکل 2 آمده است که شامل کفش، جوراب و لباس زیر خنک هم می شود.

در این مقاله با نموداری آشنا می شویم که شرایط حرارتی مناسب برای پوشش 5/0 تا 1 کلو را به ما نشان می دهد (نمودار 3). همان گونه که در شکل 2 نشان داده شده 5/0 کلو لباس بسیار سبک و 1 کلو لباس سنگین برای خانه است.

شکل 1. حرارت متابولیک برای فعالیت های معمول (استاندارد ASHRAE55، پیوست اصلی A)

[(.h)/Kcal 50=met 1]

شکل 2. جمع ارزش عایقی برای همه لباس ها (استاندارد ASHRAE55، پیوست B، جدول b-1)

[W/K.  155, 0 = clo 1]

3- انتظارات ساکنان

انتظارات ساکنان بر درک آن ها از راحتی تاثیر دارد. به سه وضعیت زیر در یک روز گرم توجه کنید:

• شخصی به یک ساختمان اداری مجهز به سیستم تهویه مطبوع وارد می شود. انتظار او در هنگام ورود به این ساختمان، وجود یک هوای مطبوع در داخل ساختمان است.
• شخصی که به یک هتل لوکس وارد می شود فارغ از شرایط و وضعیت هوای خارج، انتظار هوا و محیط مطبوعی دارد.
• شخصی که وارد یک ساختمان معمولی با درز های باز می شود انتظار تامین شرایطی مانند یک هتل لوکس یا تامین هوای بسیار مطبوع را ندارد. اما با این حال انتظار دارد که هوای داخل ساختمان از هوای خارج خنک تر باشد.

در استاندارد ASHRAE55 بین مکان هایی که ساکنان قادر به باز و بسته کردن پنجره آن ها هستند و مکان های مجهز به سیستم تهویه مطبوع تفاوت در نظر گرفته شده است. از این رو در استاندارد یاد شده ضوابط متفاوتی برای ساختمان های با تهویه طبیعی و ساختمان های مجهز به سیستم تهویه مطبوع در نظر گرفته شده است. این تفاوت زمانی بیشتر خودنمایی می کند که ساکنان توانایی کنترل دما را داشته باشند. مثلا اگر ساکنان بتوانند دمای اتاق را تنظیم کنند، رضایت بیشتری از شرایط داخل خواهند داشت. قسمت های بعد این موضوع مورد بحث قرار می گیرد.

4- دمای هوا

در بحث آسایش حرارتی منظور از دمای هوا، دمایی است که شخص آن را از سر تا پا حس می کند و می تواند با زمان تغییر یابد.

5- گرمای تشعشعی

گرمای تشعشعی به گرمایی گفته می شود که از یک جسم گرم به یک جسم سرد منتقل می شود بدون این که این گرما به اجسام میانی منتقل شود (مانند تابش خورشید). دمای تشعشعی دمایی است که در آن یک کره سیاه همان مقدار گرمایی را که می گیرد، ساطع می کند.

در یک محیط شاید دیوارها، زمین و سقف در دمایی نزدیک به دمای اتاق باشند. در این حالت دمای تشعشعی ثابت و برابر دمای اتاق است، یا به عبارتی انتقال حرارت بین اجسام صورت نمی گیرد. اگر در یک روز سرد ابری، شخصی در کنار پنجره ایستاده باشد، میانگین دمای تشعشعی ممکن است پایین تر از دمای اطراف او باشد. همچنین در جاهایی که محیط دمای تشعشعی دارد، ممکن است در تابستان میانگین دمای تشعشعی بیشتر از دمای اطراف باشد. همچنین طراحی نمای ساختمان نیز می تواند در دریافت گرمای تشعشعی تاثیرگذار باشد.

6- رطوبت

رطوبت کم: رطوبت کم و کاهش رطوبت در برخی موارد می تواند مشکلاتی نظیر خشکی پوست، چشم یا الکتریسیته ساکن ایجاد کند. البته این مسئله معمولا خللی در آسایش حرارتی ایجاد نمی کند. به همین دلیل حداقل رطوبت در استاندارد ASHRAE55 در جایی ذکر نشده است.

رطوبت بالا: در استاندارد ASHRAE55 حداکثر میزان رطوبت kg/kg 0,012 یا kg/g 12 در نظر گرفته شده است. این میزان رطوبت می تواند برای ساختمان و اعضای آن مشکلاتی به همراه داشته باشد چرا که در دمای 17 این میزان به معنی رطوبت نسبی 100 % است.

7- سرعت هوا

سرعت بالاتر هوا احساس خنکی بیشتری را برای فرد به همراه دارد. جریان هوا  اگر سرعتی بیشتر از s/m0,2 داشته باشد یا این که هوا سرد باشد و جریانی در اتاق باشد ممکن است برای ساکنان ناراحت کننده باشد. این حالت برای سر و پا که معمولا پوشش کمتری برای آن ها مد نظر است بیشتر رخ می دهد.

تامین شرایط آسایش حرارتی

بخشی از استاندارد ASHRAE55 به شرایط آسایش حرارتی در ساختمان های مسکونی و اداری اختصاص داده شده است. البته استاندارد یاد شده برای مکان هایی که در بازه های زمانی کوتاه تر از پانزده دقیقه استفاده می شوند صادق نیست. در این استاندارد توجه ویژه ای به احساس اولیه وجود دارد، برای مثال اگر در یک روز گرم با دمای 40 وارد مکانی با دمای 28 شویم باز هم احساس خوبی از لحاظ کاهش دما می کنیم. ولی بعد از یک ساعت در همان مکان ممکن است احساس گرما کنیم. از این رو در استاندارد ASHRAE55 برای در نظر گرفتن شرایط آسایش دو حالت در نظر گرفته شده است:

1. ساختمان هایی که ساکنان آن به پنجره دسترسی دارند.
2. ساختمان هایی که مجهز به سیستم مکانیکی هستند.

حالت اول: ساختمان هایی که ساکنان آن به پنجره دسترسی دارند.

در این حالت ساکنان نیاز کمتر و انتظار کمتری دارند چرا که هم از محیط بیرون خبر دارند و هم انتظار کمتری از پنجره دارند. نوع پوشش خود را با آن تنظیم می کنند و می دانند که دمای داخل تا حد زیادی از هوای بیرون تاثیر می گیرد.

شکل 3 محدوده هوای قابل قبول داخل ساختمان را در مقابل میانگین دمای ماهانه برای شرایط زیر رسم کرده است:

• – سطح فعالیت 1 تا 3/1 مت
• – کسانی که در معرض تابش خورشید نیستند.
• – سرعت هوای کمتر از s/m 0.2
• – بدون در نظر گرفتن نوع پوشش
• – به این محدوده قابل قبول، منطقه آسایش گفته می شود.

دمای عملیاتی که در داخل ساختمان در نظر گرفته می شود در واقع میانگین دمای هوا و دمای تشعشعی است. متوسط دمای ماهانه خارج میانگین دماهای ساعتی است که مقادیر یاد شده را به طور معمول می توان از روی سالنامه های هواشناسی یا از زیر مجموعه های سازمان های مرتبط با محیط زیست به دست آورد.

شکل 3. محدوده قابل قبول دمای داخل ساختمان برای فضاهای عادی (استاندارد ASHRAE55، شکل 5.3).

مقادیر این نمودار تا دمای میانگین ماهانه 10 کاهش می یابد که نشان دهنده آن است که در مواقعی که دمای هوای خارج پایین تر است (مثل فصل زمستان) با باز کردن پنجره نمی توان هوای مناسبی را تامین نمود.

شکل 3 بخشی از نمودار شرایط آسایش را برای وضعیتی که 80 % افراد در آن احساس آسایش دارند و بخشی دیگر را برای استانداردی بالاتر و وضعیتی که 90 % افراد در آن احساس آسایش دارند نشان می دهد. مثلا برای محیطی که دمای میانگین ماهانه تابستان در آن 20 است، برای آن که حداقل 80 % از افراد حاضر در ساختمان احساس آسایش کنند، محدوده دما باید بین 20.5 تا 27.5 باشد. به یاد داشته باشید که در شرایط متداول 20 % افراد در شرایط قابل قبول نخواهند بود.

حالت دوم: ساختمان هایی که مجهز به سیستم تهویه مکانیکی هستند.

تامین هوای مطبوع با استفاده از تجهیزات مکانیکی در سه گروه قابل بررسی است:

گروه اول – بسیار راحت

گروه دوم – راحت

گروه سوم – راحتی استاندارد

نکته ای که باید مورد توجه قرار گیرد آن است که استاندارد ASHRAE55 تنها گروه دوم را شامل می شود. برای گروه اول و سوم نیز طراح باید از برنامه های پایه که در پیوست D این استاندارد آمده است، استفاده کند. گروه دوم که در تقسیم بندی فوق بدان اشاره شد، مبتنی بر تامین شرایط آسایش برای حداقل 80 % افراد حاضر در ساختمان است.

معیارهای آسایش حرارتی برای گروه دوم

در استاندارد ASHRAE55، معیارهای آسایش حرارتی برای گروه دوم در قالب یک نمودار سایکرومتریک ارائه شده است که این نمودار در شکل 4 آمده است:

• سطح فعالیت met 1 تا met 3/1
• پوشش 0.5 clo تا clo 1
• سرعت هوای کمتر از m/s 0.2
• افراد دور از تابش مستقیم

در کاربردهایی که در فصل تابستان سطح پوشش افراد به clo 0.5 می رسد و رطوبت نسبی بین 40 % تا 50 % است منطقه آسایش بین خطوط پر رنگ که در نمودار مشخص شده است قرار می گیرد.

شکل 4. محدوده قابل قبول دما و رطوبت نسبی طبق معیارهای یاد شده (استاندارد ASHRAE55، شکل 1/1/2/5)

تامین شرایط آسایش حرارتی متناسب با معیارهای 80 % می تواند برای اکثر افراد قابل قبول باشد، اما در اغلب موارد در کاربردهای مختلف، افراد با محدودیت هایی در پوشش نیز همراه هستند. از طرفی، تامین شرایط حرارتی ایده آل برای یک یک افراد بسیار پر هزینه خواهد بود بنابراین معیار 80 % اغلب نتیجه مطلوبی را به همراه خواهد داشت.

مثال 1: فرض کنید قصد داریم تا ظرفیت دستگاه تهویه مطبوع یک ساختمان را کاهش دهیم. با این شرایط دو انتخاب داریم. دمای 27 و رطوبت نسبی 50 % یا دمای 28 و رطوبت نسبی 40 %. به عبارت دیگر، افزایش محدودیت های طراحی معادل با کاهش سطح رضایت افراد حاضر در ساختمان خواهد بود.

مثال 2: اگر در شرایطی باشیم که محدوده پوشش بین clo 5/0 تا clo 1 باشد، در نمودار آسایش حرارتی باید منطقه ای را انتخاب کنیم که محدوده ها اشتراک داشته باشند. مثلا برای رطوبت نسبی 50 % دمای طراحی  24.5 خواهد بود.

مثال 3: یک منطقه گرم و خشک با دمای 35 و رطوبت نسبی 20 % را در نظر بگیرید. در چنین شرایطی با استفاده از یک سیستم تبخیری مانند کولر آبی می توان دمای هوا را به 25 و رطوبت نسبی را به 40 % رساند که این شرایط برای فردی با پوشش clo 0.5 مطلوب است. بنابراین در این حالت با استفاده از یک سیستم تبخیری نیز می توان به شرایط آسایش حرارتی قابل قبول دست پیدا کرد.

 تامین شرایط آسایش با حداقل معیار

نمودار آسایش حرارتی که پیش از این در خصوص آن صحبت کردیم، بر اساس حالت ایده آل ترسیم شده است که معمولا وجود ندارد. برای تامین شرایط آسایش با حداقل معیار ها معمولا با محدودیت هایی رو به رو هستیم و باید تمهیدات به خصوصی را در نظر بگیریم که در ادامه به اختصار به آن می پردازیم.

افزایش سرعت هوا

افزایش سرعت هوا موجب می شود تا هوا خنک تر به نظر برسد. با افزایش سرعت هوا می توان دمای هوا را به اندازه 3 بالاتر از شرایط متداول آسایش نیز حفظ نمود. به عنوان مثال می توان سرعت هوا را تا s/m 0,8 افزایش داد به طوری که هنوز هم شرایط آزار دهنده نباشد (مانند پنکه رو میزی). به عنوان مثالی دیگر در یک کاربردی که محدوده متداول دمای آسایش بین 21 تا 26.5 است می توان با استفاده از یک فن که کنترل آن در دست افراد داخل محل است، این بازه را به 21 تا 29.5 افزایش داد.

سرعت و تلاطم آن بستگی دارد. هرچه هوا جریان ملایم تری داشته باشد سطح رضایت افراد حاضر در محل هم بالاتر است. البته نارضایتی از جریان هوا در هوای سرد بیشتر است. مثلا افراد به جریان هوای سرد در تابستان حساس ترند تا جریان هوای گرم در زمستان.

تفاوت دما در راستای قائم

این حالت به دلیل چگالی هوا رخ می دهد. به طور که هوای سرد که چگالی بیشتری دارد و سنگین تر است نزدیک کف و هوای گرم که چگالی و وزن کمتری دارد نزدیک سقف تجمع پیدا می کند. همچنین اگر در ساختمانی کف طبقات به خوبی عایق کاری نشده باشد، سرد شده و هوای نزدیک به آن هم سرد می شود. این تفاوت دمایی از ناحیه سر تا پا نباید از 3 تجاوز کند.

دمای کف طبقات

دمای کف برای مکان هایی که در آن جا با کفش راه می روند و کسی روی زمین نمی نشیند باید بین 19 و 29 باشد. محدودیت های موجود برای حداکثر دمای کف موجب می شود تا تامین ظرفیت گرمایی مورد نیاز یک فضا با استفاده از سیستم های گرمایش تشعشعی یا سیستم های گرمایش از کف با محدودیت هایی همراه باشد. توجه داشته باشید که اگر دمای کف اتاق مناسب نباشد تامین آسایش حرارتی تقریبا غیر ممکن خواهد بود.

تغییر دمایی متناوب

اگر ترموستات نصب شده در اتاق واکنش کندی به تغییرات دما داشته باشد موجب تغییرات ناگهانی در دما می گردد که موجب نارضایتی ساکنان می شود. مثلا برای حالتی که در هر پانزده دقیقه یک بار کار کند، نباید اختلاف دمایی بیش از یک درجه سانتی گراد در اتاق حس شود.

تغییرات دمای تشعشعی

تغییرات دمای تشعشعی در محدوده مشخصی قابل قبول است. دیوار گرم معمولا مطلوب است ولی این موضوع برای سقف صادق نیست. سقف ها حداکثر 5 درجه سانتی گراد بیشتر از دمای اتاق می توانند دمای تشعشعی داشته باشند. مثلا در تابستان بامی که عایق خوبی نداشته باشد می تواند منجر به دمای تشعشعی ناخوشایندی از سقف شود.

معیارهای آسایش حرارتی در گروه های غیر استاندارد

تا این جا مطالعه مختصری بر عواملی داشتیم که بر نمودار های شکل 1 و 2 تاثیر دارند. ولی در رابطه با سن یا جنسیت مختلف صحبتی نشده است. اغلب تحقیق ها در رابطه با افراد بالغ سالم انجام شده و استاندارد ASHRAE55 هم کمبود اطلاعات در رابطه با آسایش حرارتی کودکان یا افرادی که به لحاظ جسمی ناتوانی دارند را بیان می کند.

تحقیقات نشان می دهد که بخشی از تفاوت هایی که در معیار های تامین شرایط آسایش وجود دارد به الگوهای رفتاری افراد بستگی دارد. مثلا افراد مسن تر به دلیل سطح فعالیت کمتر به هوای گرم علاقه بیشتری نشان می دهند و در نتیجه آن ها در جای گرم نیاز به پوشش کمتری هم دارند. به همین ترتیب خانم ها معمولا مکان های گرم تر را نسبت به آقایان ترجیح می دهند.

در نهایت افراد دوست دارند در تابستان خانه ای خنک تر و در زمستان خانه ای گرم تر داشته باشند. خانه ای را در نظر بگیرید که در فصل تابستان به دلیل تابش بیشتر، سقف و دیوار های گرمی دارد و در نتیجه حرارت تشعشعی آن ها بیشتر است. بنابراین برای راحتی بیشتر در چنین مکانی دمای آن باید پایین تر باشد. بر عکس در زمستان در، پنجره و دیوار سرد بوده و برای دست یابی به همان میزان راحتی، نیاز به گرمای بیشتری خواهد بود.

تحریریه تیم خدمات فنی مهندسی به فیکس