مدلسازی آسایش حرارتی
آسایش حرارتی شرایطی از ادراك است که در آن محیط پیرامون از لحاظ حرارتی رضایت بخش باشد اما تعریف جامعی که استاندارد اشری از آسایش حرارتی ارائه میکند، سازگاری و مقبولیت بیشتری با آسایش دارد:
آسایش حرارتی شرایط ذهنی است که رضایت از محیط حرارتی را بیان میکند.
تعریف ذکر شده، با به کار بردن تعابیری مانند شرایط ذهنی و رضایت باز گذاشته میشود، اما تأکید میکند که قضاوت در مورد آسایش یک فرآیند ادراکی است که به وسیله عوامل متعدد فیزیکی، فیزیولوژیکی، روانی و ... تحت تأثیر قرار می گیرد.
می توان این گونه استنباط کرد که ذهن یک شخص هوشیار با حرارت مستقیم، احساس رطوبت از پوست، دماهای عمق بدن و تلاش برای تنظیم کردن دماهای بدن، در مورد آسایش و عدم آسایش به نتیجهگیری میرسد. آسایش همچنین به واکنش های رفتاری بستگی دارد که این واکنش ها آگاهانه و یا نا آگاهانه شروع می شوند و از طریق حس گرمایی و رطوبتی برای کاهش دادن عدم آسایش هدایت می شوند، نمونه ای از این رفتارها عبارتاند از: تغییر دادن وضعیت قرارگیری بدن یا تغییر مکان، تغییر دادن وضعیت ترموستات، باز کردن پنجره، تغییر میزان لباس پوشیدن و چندین رفتار دیگر.
اگرچه شرایط آب و هوایی منطقه ای، شرایط زندگی و فرهنگ ها در دنیا به طور گسترده ای متفاوت است اما به طور شگفت انگیزی دمایی را که افراد برای آسایش انتخاب می کنند، تحت شرایط یکسان از نظر لباس، فضا، فعالیت، رطوبت و جابهجایی هوا به هم نزدیک می باشد.
برابر بودن نرخ تولید انرژی در بدن در اثر فرآیندهای سوخت و ساز با نرخ اتلاف انرژی از بدن، شرط لازم برای قرار گرفتن در ناحیه آسایش حرارتی است؛ بنابراین، عوامل شخصی و محیطی تأثیر گذار بر بدن بایستی بهگونهای با هم اندرکنش داشته باشند که این شرط برقرار گردد. اثرات تغییر این عوامل به گونه ای است که در بازه وسیعی بالانس انرژی برقرار می گردد، اما تنها در ناحیه محدودی از این بازه وسیع ارضاء بالانس انرژی، شرایط آسایش حرارتی برقرار می¬ گردد. مدل های پیشبینی آسایش حرارتی می توانند وجود و یا عدم وجود شرایط آسایش حرارتی را پیشبینی نمایند.
از جمله مدل های معروف این روش برای پیشبینی شرایط آسایش حرارتی می توان به:
مدل فنگر
مدل دو نقطه ای گایج
مدل آسایش قابل تطبیق
اشاره کرد. مدل فنگر، مدلی یک نقطه ای برای شرایط پایا است. مدل گایج، یک مدل گذرا و دو نقطه ای است و مدل آسایش قابل تطبیق نیز برای پیشبینی شرایط آسایش حرارتی در ساختمان هایی که به صورت طبیعی تهویه میشوند، به کار میرود.
مدل آسایش حرارتی فنگر
در مدل فنگر، شرایط حرارتی بدن مطابق شکل زیر به دو عامل فردی (نرخ متابولیک و میزان عایقبندی لباس) و چهار عامل محیطی (دمای هوا، دمای متوسط تابشی، فشار بخار هوا و سرعت هوا) وابسته است.
فنگر این عوامل مؤثر بر شرایط حرارتی بدن را در قالب شاخص واحدی با نام میانگین آراء افراد نسبت به شرایط گرمایی محیط بیان میکند.
شاخص میانگین آراء افراد نسبت به شرایط گرمایی محیط، احساس حرارتی ساکنان (آراء گروه بزرگی از افراد) را نسبت به شرایط گرمایی محیط، بررسی و ارزیابی می¬نماید. این شاخص یک مقدار کمی را به احساس حرارتی عمومی افراد نسبت می دهد که با تعیین آن می توان نسبت به تحلیل شرایط حرارتی، بهبود و بهینهسازی آن اقدام نمود.
از مدل فنگر در استانداردهاي اشري 55 و ايزو 7730 به عنوان مدل استاندارد آسايش حرارتي یاد شده است. مقدار کمی این شاخص بر مبنای رابطهیزیر محاسبه می گردد.
که Tsk دماي سطح پوست افراد است و به کمک رابطه زیر قابل محاسبه است.
همچنين M نرخ متابوليک افراد (W.m-2)، W نرخ کار خارجي افراد (W.m-2)، Pa فشار بخار هوا (Pa)، Ta دماي هوا (℃)، Tcl دماي سطح لباس (℃)، To دماي عملکردي (℃)، Icl نشانگر مقاومت حرارتي لباس (W/m2.k1)، fcl فاکتور سطح لباس بصورت بي-بعد و ht نیز ضريب انتقال حرارت کلي روي سطح لباس (W.m-2.k-1) مي¬باشد.
fcl فاکتور لباس است و به منظور در نظر گرفتن افزایش سطح تبادل حرارتی به دلیل ضخامت لباس مطرح می گردد. فاکتور لباس به صورت مساحت لباس به مساحت بدن فاقد پوشش، تعریف شده است و توسط رابطه¬ي زیر تعیین میشود.
Icl میزان مقاومت حرارتی لباس است که بر حسب clo بیان میشود. هر واحد clo تقریباً 0.155 است. مقاومت حرارتی برخی انواع لباس در جدول زیر آمده است.
مقاومت حرارتی برخی انواع لباس
ضریب انتقال حرارت جابهجایی از سطح لباس افراد از رابطهي 2-18 به دست میآید.
V سرعت جریان هوا بر حسب متر بر ثانیه و Ta نیز دمای هوا بر حسب درجه سانتیگراد است. نرخ متابولیک یا نرخ حرارت تولید شده در بدن بر حسب واحد met بیان میگردد که هر met برابر 58.15 میباشد. نرخ متابولیک برحسب فعالیت براي برخی حالات، در جدول زیر آمده است.
نرخ متابولیک بر حسب نوع فعالیت
W نیز کار مکانیکی بدن است که به صورت کسري از نرخ سوختوساز بدن بیان میشود.
W=μM
که μ راندمان مکانیکی بدن است و مقدار آن بر حسب فعالیت فیزیکی بدن متفاوت خواهد بود.
منظور از PMV میانگین احساس حرارتی افراد از شرایط محیط است و مقدار آن بین 3- و 3+ میباشد که طبق استاندارد اشري هر عدد صحیح بین این دو مقدار به صورت جدول زیر به احساس حرارتی ساکنین مربوط میشود.
استاندارد ایزو 7730 محدوده ی 0.5- <شاخص فنگر< 0.5 را به عنوان محدوده ی قابل قبول براي آسایش حرارتی معرفی میکند. مدل فنگر در حالتی که فعالیت افراد اندك است، جواب هاي خوبی را نسبت به آزمایش هاي تجربی ارائه میکند؛ اما وقتی فعالیت افراد زیاد است، استفاده از این مدل با خطا همراه خواهد بود.