Tiện nghi nhiệt cho người sử dụng

Tiện nghi nhiệt của con người

Các công trình hiệu quả về năng lượng chỉ hiệu quả khi những người sử dụng cảm thấy tiện nghi thoải mái. Nếu thấy không thoải mái thì sau đó họ sẽ lựa chọn những giải pháp và phương tiện để sưởi ấm hoặc làm mát phòng chủ động như máy sưởi hay các máy điều hoà không khí gắn cửa sổ mà về căn bản có hiệu quả sử dụng năng lượng kém hơn các hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hoà nhiệt độ (HVAC) đặc thù.

Việc đo lường sự tiện nghi về nhiệt là khó vì nó mang tính chủ quan cao. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm không khí, nhiệt độ bức xạ, vận tốc không khí, mức độ hoạt động và các loại quần áo. Tuy nhiên, mỗi người trải nghiệm các cảm giác này khá là khác nhau tuỳ thuộc vào sinh lý và trạng thái của họ.

Cảm giác lạnh sẽ dễ chịu khi cơ thể bị quá nóng, nhưng sẽ gây khó chịu khi bên trong cơ thể đã bị lạnh. Đồng thời, nhiệt độ bề mặt da ở các phần khác nhau của cơ thể cũng không đồng nhất do sự khác nhau về lưu lượng máu và phần mỡ dưới da.

Tính năng cách nhiệt của quần áo cũng có ảnh hưởng đáng kể đến mức nhiệt độ và sự phân bổ nhiệt độ da.

Do đó, cảm nhận của của bất cứ phần nào trên da đều phụ thuộc vào thời gian, địa điểm và quần áo cũng như nhiệt độ của môi trường xung quanh.

Các yếu tố ảnh hưởng Tiện nghi nhiệt

Có sáu yếu tố được xem xét ảnh hưởng tới cảm giác tiện nghi nhiệt  bao gồm:

• Tỉ lệ trao đổi chất (met): Tỉ lệ lượng năng lượng sinh ra bởi cơ thể con người
• Mức độ cách nhiệt quần áo (clo): Mức độ cách nhiệt của quần áo
• Nhiệt độ không khí: Nhiệt độ không khí xung quanh cơ thể người
• Nhiệt độ bức xạ: Tổng lượng nhiệt bức xạ từ các bề mặt xung quanh cơ thể con người chiếu tới
• Tốc độ không khí: Tốc độ các dòng khí di chuyển xung quanh cơ thể con người
• Độ ẩm tương đối: Phần trăm hơi nước trong không khí

Các thông số môi trường bao gồm nhiệt độ, độ ẩm tương đối, nhiệt độ bức xạ và tốc độ gió. Các yếu tố liên quan tới con người bao gồm mức độ vận động (từ đó ảnh hưởng lên tỉ lệ trao đổi chất) và quần áo.

Tiện nghi nhiệt được tính toán khi mà nhiệt trao đổi năng lượng được cân bằng, Nhiệt được trao đổi qua các tia bức xạ do chênh lệch nhiệt độ giữa các bề mặt với cơ thể con người, do tiếp xúc và  đối lưu với cơ thể con người được cân bằng với mức độ trao đổi chất của cơ thể con người.

Nhiệt trao đổi diễn ra giữa môi trường xung quanh và cơ thể con người, thông thường có diện tích khoảng 19 feet vuông. Nếu như lượng nhiệt thất thoát ra khỏi cơ thể con người lớn hơn lượng nhiệt truyền vào cơ thể thì mức độ tiện nghi được coi là “lạnh”. Ngược lại nếu nhiệt truyền vào lớn nhơn nhiệt thất thoát thì mức độ tiện nghi được coi là “nóng” hay “ấm”

Một phương pháp diễn tả mức dộ tiện nghi nhiệt được đưa ra bới Ole Faner là Chỉ số dự đoán Cảm giác nhiệt trung bình – Predicted Mean Vote (PMV) và Chỉ số dự đoán Phần trăm không tiện nghi – Predicted Percentage of Dissatisfied (PPD)

Chỉ số PMV – Chỉ số dự đoán cảm giác nhiệt trung bình

Chỉ số PMV đề cập đến một thang nhiệt độ từ Lạnh (-3) đến Nóng (+3), ban đầu do Franger phát triển và sau đó được áp dụng như một tiêu chuẩn ISO. Các dữ liệu gốc được thu thập bằng cách làm thí nghiệm trên một số lượng lớn người (hàng ngàn lính Israel) ở các điều kiện khác nhau trong một buồng khí hậu và nhờ họ lựa chọn một vị trí trên thang đo miêu tả đúng nhất cảm giác tiện nghi của họ. Từ các dữ liệu thí nghiệm một mô hình toán học về mối quan hệ giữa các yếu tố môi trường và sinh lý thực nghiệm đã được suy ra. Kết quả liên quan tới những mức độ của 6 yếu tố ảnh hưởng tiện nghi với nhau qua các nguyên lý cân bằng nhiệt từ đó đưa ra thang mức độ tiện nghi nhiệt như ở dưới:

           Giá trị                           Mức độ tiện nghi                    

              -3                                               Lạnh

              -2                                               Mát

              -1                                               Hơi mát

               0                                               Cân bằng

               1                                               Hơi ấm

               2                                               Ấm

               3                                               Nóng

               Thang mức độ tiện nghi theo PMV

Mức độ tiện nghi cho phép được khuyến nghị theo tiêu chuẩn ASHRAE 55 nằm trong khoảng  -0.5 và +0.5 cho không gian trong nhà.

Có những công cụ hỗ trợ để tìm ra mối tương quan giữa 6 yếu tố ảnh hưởng và thang mức độ tiện nghi PMV và PPD bằng cách thay đổi chỉ số của 6 yếu tố ảnh hưởng như ở dưới đây:

Thay đổi chỉ số của 6 yếu tố ảnh hưởng và tìm ra chỉ số mức độ tiện nghi nhiệt PMV và PPD

Mức độ cân bằng (PMV= 0.2, PPD = 5.8%) khi nhiệt độ không khí 21,6 độ C, nhiệt độ bức xạ 33,1 độ C, độ ẩm tương đối 60%, tốc độ gió 0,5 m/s, tốc độ trao đổi chất 1 met, mức độ cách nhiệt quần áo 1 clo

Mức độ ấm (PMV= 2, PPD = 76,8%) khi nhiệt độ không khí 30 độ C, nhiệt độ bức xạ 31,9 độ C, độ ẩm tương đối 82,5%, tốc độ gió 1,4m/s, tốc độ trao đổi chất 1 met, mức độ cách nhiệt quần áo 0.9 clo

Mức độ lạnh (PMV= -2,1, PPD = 81,1%) khi nhiệt độ không khí 8,9 độ C, nhiệt độ bức xạ 3,8 độ C, độ ẩm tương đối 62,8%, tốc độ gió 1,4m/s, tốc độ trao đổi chất 1,4 met, mức độ cách nhiệt quần áo 1,4 clo

Chỉ số PDD – Chỉ số dự đoán phần trăm không tiện nghi

Từ PMV, có thể xác định được tỉ lệ số người trong tập hợp khảo sát không thỏa mãn về nhiệt (PPD).

Khi PMV cách xa điểm trung tính (PMV=0) về cả hai hướng thì PPD tăng.

Số lượng người tối đa không thỏa mãn với điều kiện tiện nghi của họ là 100% và thực tế cũng chỉ ra rằng bạn không thể làm thỏa mãn tất cả mọi người tại mọi thời điểm cho nên mức độ khuyến nghị cho chỉ số PPD đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn ASHRAE 55 của Hoa Kỳ là có ít hơn 10% số người cảm thấy không hài lòng cho không gian trong nhà.

Tiện nghi thích ứng

Các mô hình tiện nghi thích ứng thêm vào một số hành vi của con người vào tính toán.

Các mô hình này giả sử rằng nếu có những thay đổi về môi trường nhiệt gây ra sự khó chịu thì sau đó con người sẽ thay đổi hành vi của họ và hành động để có thể khôi phục sự thoải mái cho họ. Những hành động này có thể gồm cởi quần áo, giảm mức độ hoạt động hoặc ngay cả mở cửa số. Tác dụng chính của các mô hình này là gia tăng khoảng điều kiện mà những nhà thiết kế có thể xem như tiện nghi, đặc biệt trong các toà nhà thông gió tự nhiên nơi mà người sử dụng có mức độ kiểm soát cao hơn môi trường nhiệt của họ. Bởi vì phụ thuộc quá nhiều vào hành vi của con người, các mô hình thích ứng luôn luôn dựa trên các khảo sát diện rộng về tiện nghi nhiệt và các điều kiện môi trường bên trong/bên ngoài công trình.

Nghiên cứu này cho thấy rõ rằng nếu con người có các phương tiện để kiểm soát môi trường sống thì sẽ làm gia tăng đáng kể phần trăm người cảm thấy hài lòng và khiến họ dễ dàng bỏ qua những lúc công trình hoạt động không hiệu quả.