آسایش حرارتی

یکی از مهم‌ترین موارد در طراحی خوب ساختمان، تامین آسایش دمایی است.
آسایش دمایی حالتی است که فرد برای تغییر شرایط دمایی محیط هیج اقدام رفتاری را انجام ندهد.
در تعریف استاندارد اشری (استاندارد ۵۵): آسایش دمایی شرایطی ذهنی است که احساس رضایت از شرایط دمایی محیط را بیان می‌کند. (ANSI/اشری standard 55).
حفظ این استاندارد آسایش دمایی برای ساکنان ساختمان، یکی از اهداف مهم مهندسان طرح HVAC (تکنولوژی‌های مربوط به گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) می‌باشد.
خنثی بودن هنگامی حفظ می‌شود که گرمای تولید شده توسط متابولیسم انسانی اجازه پراکنده شدن داشته باشند تا به این صورت تعادل محیط اطراف حفظ شود. فاکتورهای اصلی که بر آسایش تاثیر می‌گذارند آنهایی هستند که اتلاف و کسب گرما را تعیین می‌کنند، از جمله سرعت متابولیک، عایق کردن لباس‌ها، دمای هوا، دمای تابشی میانگین، سرعت هوا و رطوبت نسبی. پارامترهای روانشناسی از قبیل توقعات فردی نیز بر آسایش تاثیر می‌گذارند.
مدل(Predicted Mean Vote (PMV، در میان مدل‌های آسایش شناخته شده، برتر می‌باشد. این مدل با استفاده از اصول تعادل گرمایی و داده‌های تجربی گرفته شده از اتاق تحت شرایط آب و هوای ثابت، ساخته شده‌است. از طرف دیگر مدلی تطبیقی بر اساس صدها مطالعات میدانی ایجاد شد، اساس این مطالعات مبنی بر این بود که ساکنان به صورت پویایی با محیطشان در تعامل هستند. ساکنان محیط شان را بوسیله لباس، پنجره‌های قابل استفاده، پنکه‌ها، بخاری‌های شخصی و پرده‌ها کنترل می‌کنند.
مدل PMV می‌تواند برای ساختمان‌های دارای سیستم تهویه مطبوع مورد استفاده قرار گیرد، درحالیکه مدل تطبیقی به‌طور کلی فقط برای ساختمان‌هایی که هیچ سیستم مکانیکی‌ای ندارند، می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. اتفاق نظری بر سر این موضوع وجود ندارد که کدام مدل آسایشی باید برای ساختمان‌هایی که تا قسمتی دارای تهویه موقتی یا مکانی هستند، به کار رود.
محاسبات آسایش بر اساس ANSI/ASHRAE standard 55 می‌تواند به صورت آزادانه بااستفاده ازCBE ابزار آسایش برای ASHRAE 55 مورد استفاده قرار گیرد.
مشابه ANSI/ASHRAE standard 55، دیگر استانداردهای آسایش مانند EN 15251 و ISO 7730 نیز وجود دارند.
اهمیت آسایش دمایی
رضایت از محیط به این دلیل اهمیت دارد، زیرا که بر بهره‌وری و سلامت اثر می‌گذارد. کارمندان دفتری که از محیط خود رضایت دارند، پر کارترند. مشخص شده‌است که ناراحتی منجر به نشانه‌های سندرم ساختمان بیمار می‌شود. ترکیب دمای بالا و رطوبت نسبی بالا، باعث کاهش آسایش و کیفیت هوای درون ساختمان می‌شود.
اگرچه یک دمای ثابت می‌تواند رضایت بخش باشد ولی رضایت، «پدیده آلیستزیا» معمولا بوسیله تغیر حواس ایجاد می‌شود. مدل‌های تطبیقی آسایش بیشتر سبب طراحی انعطاف‌پذیر در ساختمان‌های دارای تهویه بطور طبیعی نسبت به ساختمان‌های با شرایط درون ساختمانی متغیر می‌گردد. چنین ساختمان‌هایی از اتلاف انرژی جلوگیری کرده و این پتانسیل را دارند که ساکنانشان رضایت بیشتری داشته باشند.
فاکتورهای تاثیرگذار بر آسایش دمایی
از آنجایی که تفاوت‌هایی گوناگونی میان افراد در خصوص رضایت روانشناسی و فیزیولوژیکی وجود دارد. پیدا کردن دمای ایده‌آل برای هر فرد در یک فضای مشخص، کار سختی می‌باشد. داده‌های آزمایشگاهی و میدانی برای شرایط تعریف شده برای آسایش درصد خاصی از ساکنان، جمع آروی شدند.
شش فاکتور اصلی وجود دارد که مستقیما بر آسایش تاثیر می‌گذارند؛ این فاکتورها را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:
فاکتورهای شخصی - به دلیل اینکه این فاکتورها ویژگی‌های ساکنان که شامل سرعت متابولیک و سطح پوشش می‌باشد
فاکتورهای محیطی - که شرایط محیط که شامل دمای هوا، دمای میانگین تابشی، سرعت هوا و رطوبت می‌باشد.
حتی اگر تمامی این فاکتورها در طول زمان تغییر کند، معمولا استانداردها به حالتی ثابت برای مطالعه آسایش دلالت دارند، فقط اجازه نوسانات دمایی محدود را فراهم می‌کند.
سرعت متابولیک
عایق بندی پوشاک
دمای هوا
دمای هوا، میانگین دمای هوای اطراف ساکن در خصوص زمان و مکان می‌باشد. بر اساس استاندارد ASHRAE 55، میانگین مکانی، سطوح مچ پا، کمر و سر را در نظر می‌گیرد که برای حالت نشسته و ایستاده متفاوت می‌باشد. میانگین موقتی بر اساس بازه‌های سه دقیقه‌ای با حداقل ۱۸ نقطه مساوی در زمان می‌باشد. دمای هوا بوسیله دماسنج حباب خشک اندازه‌گیری می‌شود به همین دلیل به نام دمای حباب خشک شناخته می‌شود.
میانگین دمای تابشی
دمای موثر
دمای موثر برای ترکیب اثرات هوا و دمای میانگین تابشی به یک متریک تلاش می‌کند. اغلب برابر با میانگین دمای حباب خشک و دمای میانگین تابشی در اتاق یک مکان خاص می‌باشد. در ساختمان‌هایی با توده پایین، دمای موثر گاهی اوقات همان دمای هوا در نظر گرفته می‌شود.
سرعت هوا
رطوبت نسبی
رطوبت نسبی، نسبت میزان بخار آب هوا به میزان بخار آبی که هوا می‌توانست در دما و فشار خاصی داشته باشد. در حالیکه بدن انسان دارای سنسورهایی بر روی پوست است که برای حس کردن گرما و سرما به صورت موثری کار می‌کنند، رطوبت نسبی (RH) به صورت غیر مستقیم حس می‌شود. تعرق، مکانیسم اتلاف گرمایی موثر است که با فرایند تبخیر از پوست کار می‌کند. اما در RH (رطوبت نسبی) بالا، هوا تقریبا ماکزیمم بخار آبی که می‌تواند داشته باشد را دارد، بنابراین تبخیر، و در نتیجه اتلاف گرما کاهش می‌یابد. از طرف دیگر، محیط‌های بسیار خشک (RH<20-30%) به دلیل تاثیرشان بر غشای مخاطی نامناسب هستند. سطح پیشنهادی رطوبت درونی در محدوده ۳۰ تا ۶۰٪ در ساختمان‌های دارای تهویه می‌باشد. اما استانداردهای جدید از قبیل مدل تطبیقی، رطوبت پایین‌تر و بالاتری را بسته به دیگر فاکتورهای درگیر در آسایش فراهم می‌کنند.
یک روش برای اندازه‌گیری میزان رطوبت نسبی هوا، استفاده از سیستم دماسنج حباب خشک و حباب مرطوب می‌باشد. در حالیکه در سیستم دماسنج حباب خشک دما را بدون در نظر گرفتن رطوبت اندازه‌گیری می‌کند- مانند گزارش هواشناسی- و در سیستم حباب‌تر، تکه پارچه مرطوبی اطراف پایه حباب دارد؛ بنابراین اندازه‌گیری تبخیر آب هوا را نیز به حساب می‌آورد؛ بنابراین میزان دمای مرطوب همیشه کمی پایین‌تر از دمای حباب خشک می‌باشد. تفاوت میان این دو دما برای محاسبه رطوبت نسبی مورد استفاده قرار می‌گیرد. هر چقدر تفاوت دمایی میان این دو دماسنج بیشتر باشد، سطح رطوبت نسبی پایین‌تر می‌باشد.
رطوبت پوست در مناطق مختلف همچنین بر آسایش دریافت شده، تاثیر می‌گذارد. رطوبت می‌تواند نمناکی را در مناطق مختلف بدن افزایش بدهد، که منجر به ادراک ناراحتی می‌شود. این امر معمولا به قسمتهایی از بدن محدود می‌شود، و محدودیت‌های آسایش موضعی برای رطوبت پوست برای موقعیت‌های بدن متفاوت می‌باشد. اندام‌ها نسبت به ناراحتی ناشی از رطوبت نسبت به تنه بدن بسیار حساس ترند. اگرچه ناراحتی موضعی می‌تواند در نتیجه رطوبت باشد، رطوبت کل بدن متاثر از رطوبت قسمت‌های خاص نمی‌باشد.
اخیرا، اثرات رطوبت نسبی پایین و سرعت هوای بالا بر روی افراد بعد از حمام گرفتن، آزمایش شد. محققان متوجه شدند که رطوبت نسبی پایین، ناراحتی به همراه حس خشکی و خارش را به وجود می‌آورد. برای شرایط ایده‌آل توصیه می‌شود سطوح رطوبت نسبی در حمام بالاتر از دیگر اتاق‌ها نگه داشته شود.
مدل‌های آسایش دمایی
هنگام صحبت در خصوص آسایش، دو مدل متفاوت اصلی را می‌توان در نظر گرفت: مدل ساکن (PMV/PPD) و مدل تطبیقی
روش PMV/PPD
نمودار سایکرومتریک
نمودار رطوبت نسبی دما / نمایش دو گزینه آسایش برای روش PMV/PPD
مدل PMV/PPD توسط p.o. Fanger با استفاده از معادلات تعادل گرمایی و مطالعات تجربی در خصوص دمای پوست برای تعریف آسایش، ساخته شد. . پرسشنامه آسایش استاندارد، نمونه‌ها را در خصوص حس اشان (گرمایی اشان) در یک مقیاس هفت نمره‌ای از سرد (-۳) تا داغ (+۳) ارزیابی می‌کند. معادلات Fanger برای محاسبه Predicted Mean Vote (PMV) یک گروه بزرگ از نمونه‌ها برای ترکیبی خاص از دمای هوا، میانگین دمای تابشی، رطوبت نسبی، سرعت هوا، سرعت متابولیسم و عایق بندی پوشاک به کار می‌رود. . صفر، مقدار ایده‌آل می‌باشد که نشان دهنده خنثی بودن می‌باشد، ناحیه آسایش بوسیله ترکیبی از ۶ پارامتر تعریف می‌شود که در آن‌ها PMV در محدوده‌های پیشنهادی قرار دارد. (PMV بین بازه ۰٫۵+ تا ۰٫۵-). اگرچه پیش‌بینی رضایت در یک جمعیت قدمی مهم در تعیین اینکه کدام شرایط راحت می‌باشد، است ولی مفیدتر این است که در نظر بگیریم آیا افراد رضایت دارند یا خیر. Fanger معادله‌ای دیگر برای ارتباط PMV با درصد پیش‌بینی شده نارضایتی (Predicted Percentage of Dissatisfied/PPD) ارائه داد. این رابطه بر اساس مطالعه‌ای بود که در آن نمونه‌ها در اتاقی بررسی شدند که شرایط درونی می‌تواند به صورت دقیق کنترل شود.
این روش با تمامی ساکنین به صورت مشابه برخورد می‌کند و به موقعیت و سازگاری به محیط توجهی ندارد. اساسا این مورد را بیان می‌کند که دمای محیط نباید با تغییر فصل تغییر کند. بلکه باید دما در طول سال یکی باشد. این امر موضع بی‌تفاوت‌تری را اتخاذ می‌کند مبنی بر اینکه انسان‌ها نباید با دماهای متفاوت سازگاری پیدا کند زیرا همیشه ثابت خواهد بود
استاندارد ASHRAE 55-2010 از مدل PMV برای مشخص کردن پیش نیازهای لازم برای شرایط درونی استفاده کرد. لازم است که حداقل ۸۰٪ ساکنین رضایت داشته باشند.
ابزار آسایش CBE برای ASHRAE 55 CBE به کاربر اجازه می‌دهد تا ۶ پارامتر آسایش برای تعیین این مسئله که آیا ترکیبی مشخص با ASHRAE 55 مطابقت دارد یا خیر را وارد کند. نتایج در یک نمودار سایکرومتریک یا نمودار رطوبت نسبی دما نشان داده می‌شود و محدوده‌ای از دماها و رطوبت نسبی‌ای را نشان می‌دهد که با مقادیر ورودی در نظر گرفته شده برای حفظ ۴ پارامتر مناسب باشد.
روش سرعت هوای مرتفع
ASHRAE 55 2013 مسئول سرعت‌های هوای بالای 0.2 m/s جدا از مدل پایه می‌باشد. به دلیل اینکه حرکت هوا می‌تواند مستقیما اثر خنک‌کنندگی برای افراد ایجاد کند، به خصوص اگر آن‌ها لباس زیادی بر تن نداشته باشند، دماهای بالاتر می‌تواند راحتی بیشتری نسبت به آن حالتی که مدل PMV پیش‌بینی می‌کند، داشته باشند. سرعت هوایی تا 0.8 m/s بدون کنترل مجاز می‌باشد و 1.2 m/s با کنترل مجاز می‌باشد. این حرکت هوای مرتفع، دمای ماکزیمم برای یک دفتر کار در تابستان از ۲۷٫۵ درجه تا ۳۰ درجه بالا می‌برد.
ناراحتی موضعی
اگر چه آسایش معمولا برای بدن به صورت یک کل مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد، ناراحتی ممکن است فقط برای بخش خاصی از بدن اتفاق بیفتد، که در نتیجه منابع محلی گرمایش، خنک‌کنندگی یا حرکت هوای ناخواسته می‌باشد. بر اساس استاندارد ASHRAE 55-2010، چهار دلیل اصلی برای ناراحتی وجود دارد. بخشی از استاندارد، پیش نیازهای لازم برای این فاکتورها را مشخص می‌کند که برای افرادی با پوشش لباسی سبک که درگیر یک فعالیت فیزیکی نسبتا ساکن می‌باشند. این امر به این دلیل است که افراد با سرعت متابولیک بالاتر و/یا عایق کاری بیشتر لباس‌ها و حساسیت کمتر دارای ریسک کمتری در خصوص ناراحتی می‌باشند.
عدم تقارن دمای تابشی
تفاوت‌های بالاتر در تابش سطح‌های اطراف یک شخص ممکن است ناراحتی موضعی ایجاد کند یا پذیرش شرایط را کاهش می‌دهد. استاندارد ASHRAE 55 محدوده‌هایی برای تفاوت‌های دمایی مجاز میان سطوح متفاوت تعیین می‌کند. به دلیل اینکه افراد نسبت به عدم تقارن حساس ترند، برای مثال سقفی گرم در برابر سطح عمودی سرد، محدوده‌ها به این امر بستگی دارند که کدام سطح درگیر می‌باشد. مجاز نیست که سقف گرمتر از ۵ درجه سانتی گراد (9.0 F) باشد، در حالیکه برای دیوار ممکن است تا 23 (41 F) درجه گرمتر از دیگر سطح‌ها باشد.
باد
در حالیکه حرکت هوا ممکن است خوشایند باشد و در برخی شرایط راحتی خاصی را ایجاد کند، بعضی اوقات ناخواسته است و ایجاد ناراحتی می‌کند. این حرکت ناخواسته هوا، باد نامیده می‌شود و هنگامی که حس کل بدن خنک است، متداول‌تر است. افراد اغلب بادی را روی مناطق پوشیده نشده بدنشان حس می‌کنند برای مثال سر، گردن، شانه‌ها، مچ پا، پاها و ساق پاها اما این حس همچنین به سرعت هوا، دمای هوا، فعالیت و پوشش لباسی بستگی دارد.
تفاوت دمای هوای عمودی
رضایت ای که منجر به بالاتر بودن دمای هوا در سطح سر به نسبت سطح مچ باشد، ممکن است ناراحتی ایجاد کند. استاندارد ASHRAE 55 پیشنهاد می‌دهد که تفاوت مورد نظر نباید بالاتر از ۳ درجه سانتی گراد (5.44 F) باشد.
دمای سطح کف
کف‌ها ای که خیلی گرم یا خیلی سرد هستند، ممکن است ایجاد ناراحتی کنند. ASHRAE 55 پیشنهاد می‌کند که دمای کف در مکان‌هایی که ساکنین کفش‌های سبک بر پا دارند، در محدوده ۱۹ تا ۲۹ درجه سانتی گراد (66-84 F) باشد.
مدل آسایش تطبیقی
سازگاری
فیزیولوژیکی
رفتاری
اثرات تهویه طبیعی بر آسایش دمایی
بسیاری از ساختمان‌ها از HVAC (تکنولوژی‌های مربوط به گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) برای کنترل محیط شان استفاده می‌کنند. دیگر ساختمان‌ها دارای تهویه طبیعی بوده و برای تامین آسایش متکی به چنین سیستم‌های مکانیکی نیستند. بسته به نوع آب و هوا، این امر می‌تواند به شدت مصرف انرژی را کاهش دهد. هر چند که گاهی اوقات این امر به عنوان ریسک دیده می‌شود زیرا دمای داخلی می‌تواند بیش از اندازه باشد اگر ساختمانی به صورت ضعیف طراحی شده باشد. ساختمان‌هایی که برای تهویه طبیعی به صورت صحیح طراحی شده‌اند، شرایط داخلی را در محدوده معینی حفظ می‌کنند به صورتی‌که پنجره‌های باز و استفاده از پنکه در تابستان و پوشیدن لباس‌های اضافی در زمستان می‌تواند آسایش افراد را تامین کند.
حساسیت افراد
تفاوت‌های جنسی
بطور تقریبی دمای آسایش در زنان۱تا ۲ درجه از مردان کمتر است.
آسایش دمایی در مناطق مختلف
در مناطق مختلف جهان، نیازهای آسایش ممکن است بر اساس آب و هوا متفاوت باشد. چین دارای تابستان‌های مرطوب و گرم و زمستان‌های سردی می‌باشد که نیازی برای آسایش کارآمد را ایجاب می‌کند؛ در نتیجه رشد اقتصادی و جمعیتی سریع در چین صرفه جویی انرژی در ارتباط با آسایش در دهه‌های اخیر تبدیل به مسئله مهمی شده‌است.
محققان در حال حاضر به دنبال راه‌هایی برای گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها در چین با قیمتی پایین‌تر و ضرری کمتر برای محیط زیست می‌باشند.
در مناطق گرمسیری برزیل، شهری سازی، پدیده‌ای به نام جزیره‌های گرمایی شهری ایجاد کرده‌است (UHI). منظور از این جزیره‌ها، مناطق شهری‌ای می‌باشد که در نتیجه هجوم بیشتر افراد به این مناطق، از محدوده‌های آسایش بالاتر رفته‌اند و تنها در فصل بارانی به محدوده آسایش کاهش پیدا می‌کنند. جزیره‌های گرمایی شهری می‌تواند در هر شهری یا هر منطقه مسکونی دارای شرایط مناسب اتفاق بیفتد. جزیره‌های گرمایی شهری در مناطق شهری‌ای ایجاد می‌شود که دارای تعداد کمی درخت و پوشش گیاهی برای مسدود کردن انرژی خورشیدی یا انجام تبخیر و تعرق باشند، بسیاری از سازه‌هایی که دارای سهمی زیادی از سقف و دیوارهای کناری با قابلیت انعکاس و جذب گرمای پایین، و دارای میزان بالایی از آلودگی دی‌اکسید کربن سطح زمین می‌باشند که گرمای آزاد شده توسط سطح‌ها، مقادیر بالای گرمای تولید شده توسط سیستم‌های تهویه مطبوع ساختمان‌های فشرده کنار هم و میزان بالای ترافیک وسایل نقلیه‌ای که از موتورها و اگزوزشان گرما تولید می‌شود را حفظ می‌کنند.
در مناطق گرم و مرطوب عربستان صعودی، آسایش در مسجدها، جایی که مسلمانان برای نماز و دعا می‌روند، تبدیل به مسئله‌ای مهم شده‌است. مسجدها، ساختمان‌هایی باز هستند که تنها به صورت متناوب (روزهای جمعه برای نماز ظهر بسیار شلوغ می‌شوند) استفاده می‌شوند و تهویه آن‌ها به صورت مناسب سخت می‌باشد. مسجدهایی با اندازه بزرگ نیازمند تهویه بالایی می‌باشد که خود این امر نیازمند انرژی بسیاری می‌باشد زیرا این ساختمان‌ها تنها برای مدت زمان کوتاهی مورد استفاده قرار می‌گیرند. بعضی از مساجد به دلیل لینکه سیستم HVAC شان برای مدت طولانی کار می‌کند، بیش از اندازه سرد و برخی دیگر هم گرم می‌شوند. اثر دودکش نیز به دلیل اندازه بزرگ این مساجد تاثیرگذار بوده و لایه بزرگی از هوای گرم را بالای سر افراد در مسجد ایجاد می‌کند. طراحی‌های جدید سیستم‌های تهویه را پایین‌تر در ساختمان‌ها قرار داده تا کنترل دمایی بیشتری در سطح زمین ایجاد کنند. همچنین اقدامات مانیتورینگ جدیدی برای بهبود بازده در حال انجام شدن است.
روش‌های مطالعات آسایش دمایی
دو روش برای مطالعات آسایش رایج است. در روش اول که مطالعات آزمایشگاهی نام دارد، افراد را ابتدا در شرایط خاص و کنترل شده قرار داده و سپس مورد سوال قرار می‌گیرند. در مطالعات میدانی که دومین روش است، افراد در دنیای واقعی و بدون تغییر شرایط محیطی مورد سوال واقع می‌شوند.