در این مقاله به بررسی مفهوم آسایش حرارتی میپردازیم و تمامی عواملی که بر آن تأثیر میگذارند را بررسی میکنیم. بعد از خواندن این مقاله، بهصورت علمی با این مفهوم آشنا میشوید و دید مناسبی نسبت به این موضوع پیدا میکنید؛ این مبحث بخش مکملی از عملکرد سیستمهای تهویه مطبوع و کاربرد تهویه مطبوع و تبرید است.
مفهوم آسایش حرارتی
وضعیت آسایش حرارتی اغلب با استفاده از سیستم تهویه مطبوع کنترل میشود. البته معماری ساختمان نیز میتواند تأثیر قابل ملاحظهای در تأمین آسایش حرارتی ساکنان ساختمان داشته باشد. بخش عمده مطالبی که در این مقاله مطرح شده، مبتنی بر استاندارد ASHRAE55-2004، آسایش حرارتی محل زندگی انسان، است که بهطور خلاصه آن را استاندارد ASHRAE55 مینامیم. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه میتوانید به هندبوک ASHRAE Fundamentals مراجعه کنید.
استاندارد ASHRAE55 آسایش حرارتی را اینگونه توصیف میکند: شرایط حرارتی که ذهن انسان با آن سازگار است و ارزشگذاری آن نیز ذهنی است و معیار مشخصی برای آن وجود ندارد. نتیجه این تحقیقات و مدلهای عددی، حاصل پرسشهایی است که از افراد مختلف در شرایط گوناگون پرسیده شده است.
برای اطلاعات بیشتر میتوانید مقاله مقدمهای بر تهویه مطبوع و همچنین انواع سیستمهای تاسیسات حرارتی و برودتی ساختمان را نیز مطالعه کنید. در بخش بعد با هفت عامل مؤثر در شرایط آسایش حرارتی آشنا شده و سپس به تعریف آسایش حرارتی میپردازیم.
هفت عامل مؤثر بر آسایش حرارتی
ما با تجربه خود هم میتوانیم شناختی از آسایش حرارتی داشته باشیم. فعالیت ما را گرم میکند یا لباس گرم در مکان سرد احساس خوبی به ما میدهد. گاهی کنار گرمای آتش احساس راحتی داریم و گاهی برای احساس بهتر، شرایط خنکتری را برای خود فراهم میکنیم. در مجموع هر یک از ما هفت عامل در راحتی حرارتی را تجربه کردهایم.
عوامل شخصی:
- میزان فعالیت
- پوشش
ویژگیهای فردی:
- حساسیتها و انتظارات
شرایط محیطی و تأثیر معماری:
- دمای هوا
- میزان تشعشع حرارتی
- میزان رطوبت
- سرعت هوا
۱- سطح فعالیت
بدن انسان پیوسته از خود حرارت ساطع میکند که ناشی از سوختوساز 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 میرسد. با افزایش فعالیت بدن، مثل راه رفتن و دویدن، تولید حرارت متابولیک بدن افزایش مییابد. واحد اندازهگیری حرارت متابولیک بدن «مت» است که برابر با نرخ متابولیک (گرمای خارجشده 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 آنها در شکل ۱ آمده است.
۲- پوشش
لباس مانند یک عایق عمل میکند. در هوای سرد با پوشیدن لباس میتوانیم احساس راحتی داشته باشیم و از حرارت تولیدشده بدن استفاده کنیم. برای پیشبینی آسایش حرارتی باید از عادات پوششی منطقه مورد نظر اطلاع داشت. برای هر لباس واحدی به نام «کلو» وجود دارد که میزان عایق بودن آن را نشان میدهد. جمع مقادیر کلو برای چند نوع لباس معمول در شکل ۲ آمده است که شامل کفش، جوراب و لباس زیر خنک هم میشود.
در این مقاله با نموداری آشنا میشویم که شرایط حرارتی مناسب برای پوشش ۰.۵ تا ۱ کلو را نشان میدهد (نمودار ۳). همانگونه که در شکل ۲ نشان داده شده، ۰.۵ کلو لباس بسیار سبک و ۱ کلو لباس سنگین برای خانه است.
| فعالیت | مت |
| خواب | 0.7 |
| نوشتن یا خواندن در حالت نشسته در اداره | 1 |
| سوهانکاری، حالت ایستاده در اداره | 1.4 |
| راه رفتن در اداره | 1.7 |
| راه رفتن با سرعت 2 متر در ساعت | 2 |
| خانهتکانی | 2-3.4 |
| فعالیت ورزشی، فعالیت اجتماعی | 2.4-4.4 |
| کارهای ماشینی سنگین | 4 |
شکل ۱. حرارت متابولیک برای فعالیتهای معمول (استاندارد ASHRAE55، پیوست اصلی A)
[1 met = 50 Kcal/(h.h)]
| توصیف کلی | Clo |
| شلوار بلند و بلوز آستین کوتاه | 0.57 |
| دامن تا زانو و بلوز آستین کوتاه | 0.54 |
| شلوار بلند و بلوز آستین بلند و ژاکت | 0.96 |
| دامن کوتاه به همراه شلوار بلند، زیرپیراهن و آستین بلند | 1.1 |
| کت بلند تمامقد، تیشرت | 0.72 |
شکل ۲. جمع ارزش عایقی برای همه لباسها (استاندارد ASHRAE55، پیوست B، جدول B-1)
[1 clo = 0.155 W/K.m²]
۳- انتظارات ساکنان
انتظارات ساکنان بر درک آنها از راحتی تأثیر دارد. به سه وضعیت زیر در یک روز گرم توجه کنید:
- شخصی به یک ساختمان اداری مجهز به سیستم تهویه مطبوع وارد میشود. انتظار او در هنگام ورود، وجود یک هوای مطبوع در داخل ساختمان است.
- شخصی که به یک هتل لوکس وارد میشود، فارغ از شرایط هوای خارج، انتظار هوا و محیط مطبوعی دارد.
- شخصی که وارد یک ساختمان معمولی با درزهای باز میشود، انتظار تأمین شرایطی مانند یک هتل لوکس یا هوای بسیار مطبوع را ندارد؛ اما با این حال انتظار دارد هوای داخل ساختمان از هوای خارج خنکتر باشد.
در استاندارد ASHRAE55 بین مکانهایی که ساکنان قادر به باز و بسته کردن پنجره آنها هستند و مکانهای مجهز به سیستم تهویه مطبوع، تفاوت در نظر گرفته شده است. از این رو در این استاندارد ضوابط متفاوتی برای ساختمانهای با تهویه طبیعی و ساختمانهای مجهز به سیستم تهویه مطبوع در نظر گرفته شده است. این تفاوت زمانی بیشتر خودنمایی میکند که ساکنان توانایی کنترل دما را داشته باشند؛ مثلاً اگر ساکنان بتوانند دمای اتاق را تنظیم کنند، رضایت بیشتری از شرایط داخل خواهند داشت. قسمتهای بعد این موضوع را بررسی میکنند.
۴- دمای هوا
در بحث آسایش حرارتی، منظور از دمای هوا، دمایی است که شخص آن را از سر تا پا حس میکند و میتواند با زمان تغییر یابد.
۵- گرمای تشعشعی
گرمای تشعشعی به گرمایی گفته میشود که از یک جسم گرم به یک جسم سرد منتقل میشود، بدون آنکه 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 میگیرد، ساطع میکند.
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 نمیگیرد. اگر در یک روز سرد ابری، شخصی کنار پنجره ایستاده باشد، میانگین دمای تشعشعی ممکن است پایینتر از دمای اطراف او باشد. همچنین ممکن است در تابستان میانگین دمای تشعشعی بیشتر از دمای اطراف باشد. طراحی نمای ساختمان نیز میتواند در دریافت گرمای تشعشعی تأثیرگذار باشد.
۶- رطوبت
رطوبت کم: رطوبت کم و کاهش رطوبت در برخی موارد میتواند مشکلاتی نظیر خشکی پوست، چشم یا الکتریسیته ساکن ایجاد کند. البته این مسئله معمولاً خللی در آسایش حرارتی ایجاد نمیکند؛ به همین دلیل حداقل رطوبت در استاندارد ASHRAE55 مشخص نشده است.
رطوبت بالا: در استاندارد ASHRAE55 حداکثر میزان رطوبت 0.012 kg/kg یا 12 g/kg در نظر گرفته شده است. این میزان رطوبت میتواند برای ساختمان و اعضای آن مشکلاتی به همراه داشته باشد، چراکه در دمای ۱۷ درجه، این میزان معادل رطوبت نسبی ۱۰۰٪ است.
۷- سرعت هوا
سرعت بالاتر هوا احساس خنکی بیشتری را برای فرد به همراه دارد. اگر جریان هوا سرعتی بیشتر از 0.2 m/s داشته باشد، یا هوا سرد باشد و جریانی در اتاق وجود داشته باشد، ممکن است برای ساکنان ناراحتکننده باشد. این حالت برای سر و پا که معمولاً پوشش کمتری برای آنها در نظر گرفته میشود، بیشتر رخ میدهد.
تأمین شرایط آسایش حرارتی
بخشی از استاندارد ASHRAE55 به شرایط آسایش حرارتی در ساختمانهای مسکونی و اداری اختصاص یافته است. البته این استاندارد برای مکانهایی که در بازههای زمانی کوتاهتر از پانزده دقیقه استفاده میشوند صادق نیست. در این استاندارد توجه ویژهای به احساس اولیه وجود دارد؛ برای مثال اگر در یک روز گرم با دمای ۴۰ درجه وارد مکانی با دمای ۲۸ درجه شویم، باز هم احساس خوبی از لحاظ کاهش دما میکنیم؛ 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:
- ساختمانهایی که ساکنان آن به پنجره دسترسی دارند.
- ساختمانهایی که مجهز به سیستم مکانیکی هستند.
حالت اول: ساختمانهایی که ساکنان آن به پنجره دسترسی دارند
در این حالت ساکنان نیاز و انتظار کمتری دارند، چراکه هم از محیط بیرون خبر دارند و هم انتظار کمتری از پنجره دارند. نوع پوشش خود را با آن تنظیم میکنند و میدانند دمای داخل تا حد زیادی از هوای بیرون تأثیر میگیرد.
شکل ۳ محدوده هوای قابل قبول داخل ساختمان را در مقابل میانگین دمای ماهانه برای شرایط زیر رسم کرده است:
- سطح فعالیت ۱ تا ۱.۳ مت
- کسانی که در معرض تابش خورشید نیستند
- سرعت هوای کمتر از 0.2 m/s
- بدون در نظر گرفتن نوع پوشش
- به این محدوده قابل قبول، منطقه آسایش گفته میشود
دمای عملیاتی که در داخل ساختمان در نظر گرفته میشود، در واقع میانگین دمای هوا و دمای تشعشعی است. متوسط دمای ماهانه خارج، میانگین دماهای ساعتی است که مقادیر یادشده را معمولاً میتوان از روی سالنامههای هواشناسی یا زیرمجموعههای سازمانهای مرتبط با محیط زیست به دست آورد.
شکل ۳. محدوده قابل قبول دمای داخل ساختمان برای فضاهای عادی (استاندارد ASHRAE55، شکل ۵.۳)
مقادیر این نمودار تا دمای میانگین ماهانه ۱۰ درجه کاهش مییابد که نشان میدهد در مواقعی که دمای هوای خارج پایینتر است (مثل فصل زمستان)، با باز کردن پنجره نمیتوان هوای مناسبی را تأمین کرد.
شکل ۳ بخشی از نمودار شرایط آسایش را برای وضعیتی که ۸۰٪ افراد در آن احساس آسایش دارند، و بخشی دیگر را برای استانداردی بالاتر که ۹۰٪ افراد در آن احساس آسایش دارند، نشان میدهد. مثلاً برای محیطی که دمای میانگین ماهانه تابستان در آن ۲۰ درجه است، برای آنکه حداقل ۸۰٪ از افراد حاضر در ساختمان احساس آسایش کنند، محدوده دما باید بین ۲۰.۵ تا ۲۷.۵ درجه باشد. به یاد داشته باشید که در شرایط متداول، ۲۰٪ افراد در شرایط قابل قبول نخواهند بود.
حالت دوم: ساختمانهایی که مجهز به سیستم تهویه مکانیکی هستند.
تأمین هوای مطبوع با استفاده از تجهیزات مکانیکی در سه گروه قابل بررسی است:
گروه اول – بسیار راحت
گروه دوم – راحت
گروه سوم – راحتی استاندارد
نکتهای که باید مورد توجه قرار گیرد آن است که استاندارد ASHRAE55 تنها گروه دوم را شامل میشود. برای گروه اول و سوم نیز طراح باید از برنامههای پایه که در پیوست D این استاندارد آمده، استفاده کند. گروه دوم مبتنی بر تأمین شرایط آسایش برای حداقل ۸۰٪ افراد حاضر در ساختمان است. تجهیزاتی مانند هواساز، سیستم ویآراف (VRF) و چیلر تراکمی از رایجترین تجهیزات برای تأمین این سطح از آسایش در ساختمانهای مجهز به سیستم مکانیکی هستند.
معیارهای آسایش حرارتی برای گروه دوم
در استاندارد ASHRAE55، معیارهای آسایش حرارتی برای گروه دوم در قالب یک نمودار سایکرومتریک ارائه شده که در شکل ۴ آمده است:
- سطح فعالیت 1 met تا 1.3 met
- پوشش 0.5 clo تا 1 clo
- سرعت هوای کمتر از 0.2 m/s
- افراد دور از تابش مستقیم
در کاربردهایی که در فصل تابستان سطح پوشش افراد به 0.5 clo میرسد و رطوبت نسبی بین ۴۰٪ تا ۵۰٪ است، منطقه آسایش بین خطوط پررنگ که در نمودار مشخص شده قرار میگیرد.
شکل ۴. محدوده قابل قبول دما و رطوبت نسبی طبق معیارهای یادشده (استاندارد ASHRAE55، شکل ۵.۲.۱.۱)
تأمین شرایط آسایش حرارتی متناسب با معیار ۸۰٪ میتواند برای اکثر افراد قابل قبول باشد، اما در اغلب کاربردها، افراد با محدودیتهایی در پوشش نیز همراه هستند. از طرفی، تأمین شرایط حرارتی ایدهآل برای تکتک افراد بسیار پرهزینه خواهد بود؛ بنابراین معیار ۸۰٪ اغلب نتیجه مطلوبی به همراه دارد.
مثال ۱: فرض کنید قصد داریم ظرفیت دستگاه تهویه مطبوع یک ساختمان را کاهش دهیم. در این شرایط دو انتخاب داریم: دمای ۲۷ درجه و رطوبت نسبی ۵۰٪، یا دمای ۲۸ درجه و رطوبت نسبی ۴۰٪. به عبارت دیگر، افزایش محدودیتهای طراحی معادل کاهش سطح رضایت افراد حاضر در ساختمان خواهد بود.
مثال ۲: اگر در شرایطی باشیم که محدوده پوشش بین 0.5 clo تا 1 clo باشد، در نمودار آسایش حرارتی باید منطقهای را انتخاب کنیم که محدودهها اشتراک داشته باشند؛ مثلاً برای رطوبت نسبی ۵۰٪، دمای طراحی ۲۴.۵ درجه خواهد بود.
مثال ۳: یک منطقه گرم و خشک با دمای ۳۵ درجه و رطوبت نسبی ۲۰٪ را در نظر بگیرید. در چنین شرایطی با استفاده از یک سیستم تبخیری مانند کولر آبی میتوان دمای هوا را به ۲۵ درجه و رطوبت نسبی را به ۴۰٪ رساند، که این شرایط برای فردی با پوشش 0.5 clo مطلوب است. بنابراین در این حالت نیز با استفاده از یک سیستم تبخیری میتوان به شرایط آسایش حرارتی قابل قبول دست یافت.
تأمین شرایط آسایش با حداقل معیار
نمودار آسایش حرارتی که پیش از این درباره آن صحبت کردیم، بر اساس حالت ایدهآل ترسیم شده که معمولاً وجود ندارد. برای تأمین شرایط آسایش با حداقل معیارها معمولاً با محدودیتهایی روبهرو هستیم و باید تمهیدات بهخصوصی را در نظر بگیریم که در ادامه به اختصار به آن میپردازیم.
افزایش سرعت هوا
افزایش سرعت هوا موجب میشود هوا خنکتر به نظر برسد. با افزایش سرعت هوا میتوان دمای هوا را تا ۳ درجه بالاتر از شرایط متداول آسایش نیز حفظ کرد. برای مثال میتوان سرعت هوا را تا 0.8 m/s افزایش داد، بهطوریکه هنوز هم شرایط آزاردهنده نباشد (مانند پنکه رومیزی). به عنوان مثالی دیگر، در کاربردی که محدوده متداول دمای آسایش بین ۲۱ تا ۲۶.۵ درجه است، میتوان با استفاده از یک فن که کنترل آن در دست افراد داخل محل است، این بازه را به ۲۱ تا ۲۹.۵ درجه افزایش داد؛ بررسی تهویه هوای ساختمان در این زمینه راهنمای مفیدی است.
میزان تلاطم هوا نیز در این احساس مؤثر است. هرچه هوا جریان ملایمتری داشته باشد، سطح رضایت افراد حاضر در محل هم بالاتر است. البته نارضایتی از جریان هوا در هوای سرد بیشتر است؛ مثلاً افراد به جریان هوای سرد در تابستان حساسترند تا جریان هوای گرم در زمستان.
تفاوت دما در راستای قائم
این حالت به دلیل چگالی هوا رخ میدهد؛ بهطوریکه هوای سرد که چگالی بیشتری دارد و سنگینتر است، نزدیک کف تجمع مییابد و هوای گرم که چگالی و وزن کمتری دارد، نزدیک سقف تجمع پیدا میکند. همچنین اگر در ساختمانی کف طبقات بهخوبی عایقکاری نشده باشد، سرد شده و هوای نزدیک به آن هم سرد میشود. این تفاوت دمایی از ناحیه سر تا پا نباید از ۳ درجه تجاوز کند.
دمای کف طبقات
دمای کف برای مکانهایی که در آنها با کفش راه میروند و کسی روی زمین نمینشیند، باید بین ۱۹ و ۲۹ درجه باشد. محدودیتهای موجود برای حداکثر دمای کف موجب میشود تأمین ظرفیت گرمایی مورد نیاز یک فضا با استفاده از سیستمهای گرمایش تشعشعی یا گرمایش از کف با محدودیتهایی همراه باشد؛ در چنین کاربردهایی استفاده از هیت پمپ یا پمپ حرارتی نیز میتواند گزینه مناسبی برای تأمین دمای کنترلشده باشد. توجه داشته باشید اگر دمای کف اتاق مناسب نباشد، تأمین آسایش حرارتی تقریباً غیرممکن خواهد بود.
تغییر دمایی متناوب
اگر ترموستات نصبشده در اتاق واکنش کندی به تغییرات دما داشته باشد، موجب تغییرات ناگهانی در دما میشود که نارضایتی ساکنان را در پی دارد. مثلاً برای حالتی که هر پانزده دقیقه یکبار کار میکند، نباید اختلاف دمایی بیش از یک درجه سانتیگراد در اتاق حس شود.
تغییرات دمای تشعشعی
تغییرات دمای تشعشعی در محدوده مشخصی قابل قبول است. دیوار گرم معمولاً مطلوب است، ولی این موضوع برای سقف صادق نیست. سقفها حداکثر ۵ درجه سانتیگراد بیشتر از دمای اتاق میتوانند دمای تشعشعی داشته باشند؛ مثلاً در تابستان، بامی که عایق خوبی نداشته باشد میتواند به دمای تشعشعی ناخوشایندی از سقف منجر شود.
معیارهای آسایش حرارتی در گروههای غیراستاندارد
تا اینجا مطالعه مختصری بر عواملی داشتیم که بر نمودارهای شکل ۱ و ۲ تأثیر دارند؛ ولی درباره سن یا جنسیت مختلف صحبتی نشده است. اغلب تحقیقها درباره افراد بالغ سالم انجام شده و استاندارد ASHRAE55 هم کمبود اطلاعات درباره آسایش حرارتی کودکان یا افرادی که به لحاظ جسمی ناتوانی دارند را بیان میکند.
تحقیقات نشان میدهد بخشی از تفاوتهایی که در معیارهای تأمین شرایط آسایش وجود دارد، به الگوهای رفتاری افراد بستگی دارد. مثلاً افراد مسنتر به دلیل سطح فعالیت کمتر به هوای گرم علاقه بیشتری نشان میدهند و در نتیجه در جای گرم به پوشش کمتری هم نیاز دارند. به همین ترتیب، خانمها معمولاً مکانهای گرمتر را نسبت به آقایان ترجیح میدهند.
در نهایت، افراد دوست دارند در تابستان خانهای خنکتر و در زمستان خانهای گرمتر داشته باشند. خانهای را در نظر بگیرید که در فصل تابستان به دلیل تابش بیشتر، سقف و دیوارهای گرمی دارد و در نتیجه حرارت تشعشعی آنها بیشتر است؛ بنابراین برای راحتی بیشتر در چنین مکانی، دمای آن باید پایینتر باشد. برعکس، در زمستان، در، پنجره و دیوار سرد است و برای دستیابی به همان میزان راحتی، به گرمای بیشتری نیاز خواهد بود.
تحریریه تیم خدمات فنی مهندسی به فیکس
