Vùng tiện nghi nhiệt và các yếu tố tác động đến tiện nghi nhiệt
- NA Studios
- Jan 11, 2019
- 14 min read
Updated: Apr 18, 2019
Cần một sự thay đổi xuất phát từ khái niệm người cư ngụ như một người thụ động đón nhận một tập hợp các trạng thái môi trường trong nhà, đến người dân, những người có thể đóng một vai trò tích cực hơn trong việc duy trì đặc tính ngôi nhà của họ. —Cole và Brown, 2009
Các tòa nhà thường sử dụng rất nhiều năng lượng để cung cấp môi trường thoải mái cho người sống trong đó. Chúng tôi đưa ra phạm vi nhất định cho mức nhiệt độ, độ ẩm, oxy và ánh sáng tối thiểu. Ý tưởng của chúng tôi về tiện nghi nhiệt trong nhà thay đổi khi chúng tôi thích ứng với việc thay đổi nhiệt độ ngoài trời qua từng năm. Đồng thời, chúng tôi cũng có những điểm khác biệt và sở thích cá nhân khiến cho việc thiết kế một không gian “hoàn hảo” cho tất cả mọi người không thể xảy ra. Các định nghĩa và mô tả về sự thoải mái của con người được sử dụng làm cơ sở để đánh giá hiệu suất tòa nhà.
Ví dụ, các cuộc thảo luận về vùng tiện nghi nhiệt chấp nhận được là công cụ trong việc giảm sử dụng năng lượng và chi phí ban đầu của các văn phòng của DPR Construction ở Newport Beach. Các văn phòng Net Zero Energy (*) trước đây, họ đã thử nghiệm với nhiệt độ bên trong tối thiểu (khoảng 28°C hoặc hơn) khi sử dụng những chiếc quạt trần lớn để làm mát không khí. Điều này không làm cho người cư ngụ bên trong tòa nhà phải phàn nàn. Những kinh nghiệm đầu tiên với một vùng tiện nghi nhiệt mở rộng, cộng với nghiên cứu bổ sung, cho phép chúng tôi giảm bớt số lượng cửa sổ theo bản thiết kế ban đầu cho văn phòng Newport Beach để thông gió tự nhiên, tiết kiệm chi phí vốn và giảm thời gian sử dụng hệ thống cơ học.
Xem thêm: Case study 9.4 và Case study 10.6
Ví dụ minh họa khác, một dự án nhà trẻ đạt được một đánh giá LEED (**) cao sử dụng năng lượng nhiều hơn đáng kể so với dự kiến. Trong quy trình Value Engineering, nhóm nghiên cứu thay thế các lỗ thoát khí để thông gió tự nhiên, đồng thời cũng cung cấp các cây nhỏ để che nắng thay vì các các thiết kế nhân tạo để che nắng chiếu ngang. Các lỗ thoát khí thay thế đã không đóng hoàn toàn, vì vậy những người sống tại đây thích nghi bằng cách đưa vào không gian sống máy sưởi trong mùa đông. Bên cạnh việc sử dụng năng lượng sưởi ấm nhiều hơn dự kiến, trong một số ngày mùa hè quá nắng và nóng, cây xanh không cung cấp đủ bóng râm và nhiệt độ bên trong quá cao gây ảnh hưởng đến sức khỏe của trẻ em.
Trọng tâm của bài viết này là sự tiện nghi nhiệt. Cung cấp sự tiện nghi trong các tòa nhà tiêu thụ năng lượng thấp là một trong những thách thức thiết kế môi trường hiện nay.
Sự tiện nghi của con người là thước Hình ảnh nhiệt cho thấy nhiệt độ bề đo hiệu suất tòa nhà mặt của bốn người. Hai người ở
giữa có giá trị nhiệt sinh lý cao hơn so với hai người bên cạnh.
Nguồn: Courtesy of Phil Emory of Neudorfer Engineers.
1. SỰ CÂN BẰNG NHIỆT CỦA CON NGƯỜI
Trong khi nhiệt độ môi trường ưa thích của hầu hết những người khỏe mạnh ở độ tuổi 70 là 37 độ C. Vì lý do này, chúng tôi nói chung là các nhà xuất khẩu thuần nhiệt đến môi trường của chúng ta. Do đó, sự thoải mái nhiệt được dựa trên khả năng tiếp nhận của con người để tỏa ra lượng nhiệt phù hợp.
Chúng ta tản nhiệt đến môi trường của chúng ta thông qua:
(1) hít phải không khí lạnh và thở ra không khí ấm;
(2) tỏa nhiệt từ da tiếp xúc với các bề mặt xung quanh;
(3) sự di chuyển (hấp thụ và bay hơi) nhiệt trong không khí từ quần áo và bề mặt da, cũng như là làm khô mồ hôi để cung cấp sự mát mẻ tỏa ra; và
(4) dẫn / bức xạ qua quần áo và bàn chân của chúng ta đến các bề mặt xung quanh và dòng không khí.
Khi những phương pháp này trở nên kém hiệu quả hơn do điều kiện môi trường, chúng ta có thể bị quá nóng. Ví dụ, độ ẩm cao làm giảm hiệu quả đổ mồ hôi, trong khi nhiệt độ không khí cao có thể làm giảm hiệu quả của 1, 2 và 4. Tất cả nhiệt tản nhiệt này từ con người trở thành một phần của sự nạp năng lượng làm mát tòa nhà như được mô tả trong (Chương 10 - Insert link this post).
Chúng ta tạo ra nhiệt bằng cách đốt cháy calo, tiếp xúc với gió hoặc vật thể nóng (chăn điện hoặc cà phê nóng), hoặc đang ở trong vùng phát xạ của nguồn nhiệt như mặt trời, lửa hoặc bộ tản nhiệt nóng.
2. NHỮNG YẾU TỐ TÁC ĐỘNG ĐẾN TIỆN NGHI NHIỆT
Sự tiện nghi nhiệt, hoặc tiêu tan lượng nhiệt phù hợp với môi trường của chúng ta, phụ thuộc vào sự cân bằng giữa bốn yếu tố có thể điều chỉnh bằng hệ thống điều khiển trong tòa nhà: (1) nhiệt độ không khí, (2) nhiệt độ bức xạ, (3) tốc độ không khí và (4) độ ẩm. Hai yếu tố bổ sung được dựa trên bản thân người lưu trú: giá trị nhiệt sinh lý và trở nhiệt quần áo. Mô hình tiện nghi thích nghi thêm các yếu tố khác: lịch sử nhiệt độ ngoài trời tại địa phương và một số khía cạnh của tâm lý học.
Xem thêm: Đánh giá tiện nghi nhiệt của con người
Hầu hết mọi người kết hợp tiện nghi nhiệt với nhiệt độ không khí. Chu trình bật và tắt của bộ ổn nhiệt gia đình chỉ dựa trên nhiệt độ không khí và cung cấp không khí ấm áp để điều chỉnh nhiệt độ không khí. Nghiên cứu cho thấy rằng sự tiện nghi nhiệt của con người thực sự phụ thuộc nhiều hơn vào nhiệt độ bức xạ trung bình (MRT) (***), điều mà chỉ bị ảnh hưởng gián tiếp bởi nguồn cung cấp không khí ấm hoặc lạnh. MRT là nhiệt độ trung bình của các bề mặt xung quanh chúng ta, được sửa đổi bởi độ phát xạ bề mặt và vị trí hình học của chúng trong một không gian. Nhiều tòa nhà tiêu thụ năng lượng thấp sử dụng hệ thống sưởi và / hoặc làm mát bằng bức xạ, vì nó là phương pháp hiệu quả hơn để mang lại sự thoải mái.
Tất cả các bề mặt liên tục trao đổi năng lượng bức xạ "sóng dài", làm nóng những cái lạnh hơn và làm mát những cái ấm hơn. Chúng ta liên tục truyền và nhận năng lượng bức xạ, và nhận thấy rằng tiện nghi nhiệt của một không gian phần lớn dựa trên mức năng lượng bức xạ mà chúng ta nhận được. Không gian trong một hội trường, một bữa tiệc, hoặc phòng hội nghị khép kín có thể nóng quá nhanh, một phần do con người trao đổi nhiệt độ bức xạ qua da (32-35°C) thay vì với các bức tường (18°C).
Tốc độ không khí giúp tiêu tan nhiệt bằng cách loại bỏ một lớp không khí nóng lên xung quanh chúng ta, và cung cấp luồng không khí làm gia tăng sự bay hơi để làm mát thông qua việc đổ mồ hôi. Tốc độ không khí thường được điều chỉnh thông qua hệ thống thông gió tự nhiên, luồng khí cơ học sử dụng quạt trong ống dẫn, hoặc quạt thông gió.
Yếu tố cuối cùng được kiểm soát bởi các hệ thống tòa nhà là độ ẩm, thường bị làm nóng bởi hệ thống cơ học. Một hệ thống sưởi làm giảm độ ẩm tương đối của không khí mát ngoài trời. Không khí ấm áp, ẩm ướt ngoài trời thường được làm lạnh đến 13°C, giúp thoát hơi ẩm (gọi là ngưng tụ) ra khỏi không khí. Không khí này sau đó được đưa vào một không gian, trộn với không khí ấm hơn trong nhà, làm giảm độ ẩm tương đối của không gian. Điều thú vị cần lưu ý là, tuy độ ẩm thường gặp ở các vùng khí hậu lạnh, nhưng tiêu chuẩn ASHRAE 55 chỉ có giới hạn trên cho độ ẩm mà lại không có giới hạn thấp hơn.
Cách nhiệt của quần áo và nhiệt sinh lý của con người cũng ảnh hưởng đến mức độ tiện nghi nhiệt của một cá nhân. Một mức độ điển hình của quần áo (được đo bằng clo) được gán cho người cư trú:
Clo = 0 là khỏa thân,
Clo = 1 là mặc một bộ trang phục.
Nhiệt sinh lý (1 met = 18,4 Btu/h/ft2, trong đó ft2 là tổng diện tích bề mặt da của một người) được dựa trên mức độ hoạt động của con người. Trong một văn phòng, mọi người được cho là khá ít vận động (met = 1.0–1.2) với quần, áo sơ mi và đôi khi là áo khoác (clo = 0.8–1). Trong phòng tập thể dục, mọi người sẽ tích cực hoạt động hơn (met = 2–7 trở lên) và mặc quần short hoặc áo nỉ và áo sơ mi ngắn tay (clo = 0,3–0,6). Tại một số khu vực như hồ bơi, spa và khu trượt tuyết trên núi, mọi người có thể được giả định mặc quần áo ít hơn hoặc nhiều hơn đáng kể.
Theo Khoa học, các yếu tố tác động đến tiện nghi nhiệt của con người chi tiết hơn nhiều so với trình bày ở đây, bao gồm tính thấm và lớp quần áo, đối lưu dựa trên vị trí cơ thể và độ phơi sáng, và sự mất nhiệt qua từng phần của cơ thể. Trong sổ tay cơ bản của ASHRAE (2013) chứa hàng chục phương trình giúp ước tính truyền nhiệt thông qua quần áo và nhiệt sinh lý. Tuy nhiên, các phương trình này thường được đưa trực tiếp vào trong phần mềm mô phỏng báo cáo sự tiện nghi nhiệt, trong khi phần mềm mô phỏng báo cáo sử dụng năng lượng được hướng dẫn bởi một trong các phương pháp được mô tả bên dưới.
3. ĐỊNH NGHĨA CÁC VÙNG TIỆN NGHI NHIỆT
Sự thoải mái của con người là một lĩnh vực thuộc ngành “khoa học mềm” (****) (các ngành khoa học mà khó có thể thiết lập các tiêu chí đo lường được), dựa vào các cá nhân tự báo cáo sự hài lòng của họ với các điều kiện môi trường của họ. Đối tượng được tiếp xúc với các kết hợp khác nhau của nhiệt độ không khí, độ ẩm, tốc độ không khí và MRT, và phản ứng của chúng phản ánh các yếu tố môi trường, cộng với tâm lý, tuổi tác, văn hóa và kỳ vọng nhiệt. Do sự khác biệt cá nhân, tiêu chuẩn ASHRAE mong đợi rằng 10–20% người cư ngụ của một không gian nhất định có thể không được thoải mái nhiệt, ngay cả trong một tòa nhà được thiết kế tốt.
Hai định nghĩa chính về tính tiện nghi nhiệt là tĩnh và thích ứng, được dựa trên các nghiên cứu lâu dài và chi tiết của các cá nhân tự báo cáo sự thoải mái. Hầu hết các nghiên cứu đều yêu cầu người cư ngụ đánh giá cảm giác nhiệt của họ trên thang điểm từ –3 (lạnh) đến +3 (nóng), với 0 là nhiệt độ trung lập.
Một không gian được coi là đủ thoải mái nếu phản ứng cảm biến nhiệt trung bình được tính toán theo chỉ số PMV nằm trong khoảng –0.5 và +0.5. Phạm vi của PMV đã được tìm thấy trong các nghiên cứu thực địa để đáp ứng trung bình 80% dân số. Do sở thích, sự khác biệt cá nhân và biến động nhiệt tự nhiên, việc đạt được 100% PMV là không thể trong môi trường đồng nhất.
Một công cụ tiện nghi tương tác, thời gian thực cho các điều kiện trong nhà dựa trên ASHRAE-55-2010 từ Đại học California, Berkeley, có thể được sử dụng để hiểu các phạm vi cho các mô hình thoải mái tĩnh (PMV) và các mô hình tiện nghi thích nghi. Lưu ý các kí hiệu trục X và Y khác nhau (1). Vùng thoải mái (2) được vẽ màu tím. Đối với mô hình Tĩnh, khu vực này thay đổi dựa trên đơn vị met và clo, trong khi dấu chấm (3) cho thấy liệu một sự kết hợp cụ thể của các yếu tố môi trường được dự đoán có dẫn đến sự thoải mái về nhiệt hay không. Trong mô hình thích ứng, vùng thoải mái chỉ thay đổi dựa trên tốc độ không khí, trong khi điểm (3) thay đổi vị trí, dựa trên nhiệt độ không khí, tốc độ không khí và nhiệt độ ngoài trời trung bình phổ biến, được tính dựa trên số liệu đo nhiệt độ ngoài trời từ tuần trước hoặc vài tuần trước đó. Không tiện nghi bất đối xứng (4) có thể xảy ra do trần ấm và sàn nhà mát mẻ.
Source: CBE Thermal Comfort Tool for ASHRAE-55
Trong một hành lang được lắp đặt phần lớn là kính, việc bổ sung rèm và tăng luồng khí có thể được xem xét để giảm bớt sự khó chịu. Màu giả (*****) được sử dụng để đo nhiệt độ ở hành lang. Mặt tiền không có bóng ở phía bên trái có thể quá nóng, sức nóng vượt quá khả năng kiểm soát của hệ thống cơ khí để tạo ra sự thoải mái. Thay vào đó, việc bổ sung các bóng ngang là cần thiết để giảm bớt sự khó chịu, với việc tăng luồng không khí cũng là cần thiết để giảm Tỉ lệ phần trăm những người không thoả mãn dưới 20%, giới hạn trên phổ biến.
Source: Open Studio thermal comfort model, courtesy of Premnath Sundharam.
Phạm vi điều kiện tiện nghi của mọi người thay đổi trong suốt cả năm. Một cá nhân có thể thoải mái mặc quần đùi vào ngày nắng 15°C vào mùa xuân, trong khi vào một ngày mùa thu đầy nắng 15°C, họ có thể mặc một cái áo khoác. Mô hình tĩnh trong ASHRAE 55 xác định phạm vi tiện nghi nhiệt trong mùa hè và mùa đông bằng cách sử dụng nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ không khí và nhiệt độ bức xạ trung bình MRT. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng các hệ thống cơ khí hoạt động trong phạm vi này sẽ phù hợp để làm thỏa mãn hơn 80% người cư ngụ, một tiêu chuẩn ngành cho sự tiện nghi.
Mô hình Thích nghi khẳng định ý tưởng của mọi người về sự thay đổi tiện nghi nhiệt hàng ngày và hàng tuần, đặc biệt là liên quan đến nhiệt độ ngoài trời tại địa phương. Điều này được gọi là thích nghi khí hậu. Mức độ mà một môi trường đáp ứng được kỳ vọng, hoặc có thể thích nghi bởi người sử dụng, cũng đóng một vai trò. Thay vì thụ động chấp nhận phạm vi hẹp của nhiệt độ, mô hình này giả định những người cư ngụ sẽ mặc thêm hoặc cởi bỏ quần áo để duy trì sự thoải mái của họ trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn một chút. Mô hình Thích ứng đặc biệt hiệu quả để dự đoán sự thoải mái trong không gian thông gió tự nhiên.
Giải thích về cơ sở dữ liệu ASHRAE RP-884 của các tòa nhà thông gió tự nhiên cho thấy rằng những người ở các tòa nhà thông gió tự nhiên thích một phạm vi nhiệt độ rộng hơn so với dự đoán trong mô hình tĩnh (Brager và de Dear, 2001), liên quan đến nhiệt độ ngoài trời và các yếu tố khác. Người cư trú trong các tòa nhà có điều kiện lắp đặt hệ thống điều hòa nhiệt độ cũng được chỉ ra là thích phạm vi hẹp hơn của điều kiện thoải mái mà họ đã quen, ám chỉ vai trò của tâm lý học và sự thích nghi khí hậu trong sự thoải mái nhiệt.
Mô hình Thích nghi đang ngày càng được chấp nhận rộng rãi hơn, nhưng cần nghiên cứu thực địa nghiêm ngặt hơn để đánh giá tác động. Tiêu chuẩn 55 của ASHRAE về sự thoải mái của con người đã thêm vào một tùy chọn thích nghi trong năm 2010. Điều này cho phép các thông số thiết kế sự thoải mái bao gồm nhiệt độ ngoài trời gần đây.
Các tiêu chí về tiện nghi nhiệt được sử dụng trong một dự án cụ thể có thể có những tác động lớn. Khi một nhóm dự án tự tin rằng nhiệt độ trong một không gian có thể cao hơn 3°F (-16°C??) trong suốt mùa hè, họ có thể giảm kích thước thiết bị cơ khí và chi phí đầu tiên. Tiêu chí thoải mái mở rộng, đặc biệt cùng với thiết kế chiếu sáng và che bóng tốt, có thể cho phép sử dụng các hệ thống hiệu quả hơn, chẳng hạn như làm mát bức xạ hoặc thông gió tự nhiên, xem nghiên cứu điển hình 7.1 (Insert link this post)
Trải nghiệm đầu tiên với các phạm vi thoải mái có thể cần thiết để xác định xem khách hàng có sẵn sàng chấp nhận phạm vi tiện nghi rộng hơn hay không. Trong các phòng thí nghiệm BEST của Oregon, một căn phòng thoải mái đã được xây dựng, nơi tất cả bốn yếu tố PMV có thể được kiểm soát chặt chẽ để tìm ra các phạm vi thoải mái. Tấm tường bức xạ có thể được điều chỉnh nhanh chóng đến nhiệt độ mới, luồng không khí, nhiệt độ không khí và độ ẩm cũng có thể được kiểm soát. Những người hoài nghi được phép tổ chức các cuộc họp trong các phòng thoải mái, định kỳ báo cáo mức độ thoải mái của họ. Khi họ kết thúc, các kết hợp mà họ báo cáo là thoải mái thường làm họ ngạc nhiên.
Comments