KULOVÝ STEREOTEPLOMĚR NOVÝ přístroj pro měření a hodnocení NEROVNOMĚRNÉ TEPELNÉ ZÁTĚŽE

Transkript

1 české pracovní lékařství číslo 1 28 Původní práce SUMMARy KULOVÝ STEREOTEPLOMĚR NOVÝ přístroj pro měření a hodnocení NEROVNOMĚRNÉ TEPELNÉ ZÁTĚŽE globe STEREOTHERMOMETER A NEW DEVICE FOR measurement and evaluation of irregular thermal load jirák z. 1,6, Jokl M.V. 2, VAJneR l. 3, ToMáŠkoVá H. 1,6, BeRnATÍkoVá Š. 4, malý s., lehocká H. 6, kilián l. 6 SOUHRN 1 Ostravská univerzita, Zdravotně sociální fakulta, Ostrava 2 ČVUT Praha, Fakulta stavební, Praha 3 SIPOCH spol. s r.o., Praha 4 VŠB-TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Ostrava Výzkumný ústav bezpečnosti práce,v.v.i., Praha 6 Zdravotní ústav se sídlem v Ostravě, Ostrava Základním dokumentem v oblasti posuzování nerovnoměrné tepelné zátěže je ČSN EN ISO 773, která je českou verzí evropské normy EN ISO 773:2. Hodnocení nerovnoměrné tepelné zátěže podle této normy vyžaduje měření radiační asymetrie (Δt pr ). Cílem naší práce bylo ověřit vhodnost kulového stereoteploměru pro měření a hodnocení nerovnoměrné radiační zátěže. Pokusy byly konány v klimatické komoře v podmínkách, kdy sálající plochou byla zadní stěna komory (vertikální sálavá plocha) nebo strop komory (horizontální sálavá plocha). Podle rychlosti proudění vzduchu byly pokusy rozděleny do 3 etap: etapa I, v a =,2 m/s, etapa II, v a =, m/s a etapa III, v a =1, m/s. Výsledná teplota kulového teploměru (t g ) byla ve všech pokusech 24 C. V pokusech s vertikální sálavou plochou činil rozdíl radiační teploty měřené ve směru sálání (t ra ) a výsledné teploty kulového teploměru [Δ (t ra t g )] = -1 C až +2 C, v pokusech s horizontální sálavou plochou [Δ (t ra t g )] = 21, 29 a 34 C. Byla zjištěna velmi dobrá korelace (R =,9797 až,998) mezi stereoteplotou (t stereo ) a t ra, a to jak pro různé rychlosti proudění vzduchu, tak bez ohledu na rychlost proudění vzduchu (R =,972) i mezi Δ(t stereo -t g ) a rozdílem hodnot radiační teploty ze dvou protilehlých stran Δ (t ra -t rb ), a to jak pro různé rychlosti proudění vzduchu (R =,9897 až,9937), tak bez ohledu na rychlost proudění vzduchu (R =,9874). Kulový stereoteploměr umožňuje současné měření výsledné teploty kulového teploměru a stereoteploty ze šesti stran. Stereoteplota může být využita k výpočtu radiační teploty a pro posouzení radiační asymetrie (Δt pr ) ve smyslu ČSN EN ISO 773 nebo může být spolu s výslednou teplotou kulového teploměru využita jako vhodný indikátor celkové i nerovnoměrné tepelné zátěže. Klíčová slova: stereoteploměr, nerovnoměrná radiační zátěž, hodnocení tepelné zátěže, klimatická komora The basic document in the area of evaluating irregular thermal load is the Czech Standard CSN EN ISO 773, which is the Czech version of the European Standard EN ISO 773:2. The evaluation of irregular thermal load according to this standard requires measurement of radiation asymmetry (Δt pr ). The aim of this study was to verify suitability of globe stereo-thermometer for measurement and evaluation of irregular radiation load. The experiments were performed in a climatic chamber under conditions, when the radiation surface was the back wall of the chamber (vertical radiation surface) or the ceiling of the chamber (horizontal radiation surface). The velocity of air flow was used to classify the experiments into 3 stages: stage I, v a =.2 m/s, stage II, v a =. m/s and stage III, v a =1. m/s. The resulting temperature of the spherical thermometer (t g ) was 24 C in all experiments. In the experiments with the vertical radiation surface, the difference of radiation temperature measured in the direction of radiation (t ra ) and the resulting temperature of the globe thermometer proved to be [Δ (t ra t g )] = 1 C to +2 C, whereas in the experiments with the horizontal radiation surface it was [Δ (t ra t g )] = 21, 29 a 34 C. There was a very good correlation (R =.9797 to.998) between the stereo-temperature (t stereo ) and t ra for different velocities of air flow as well as regardless of the velocity of air flow (R =.972) even between Δ (t stereo -t g ) and the difference of values of radiation temperature from two opposite directions Δ (t ra -t rb ) for different velocities of air flow (R =,9897 to,9937), as well as without regard to the velocity of air flow (R =,9874). The globe stereo-thermometer makes it possible to measure simultaneously the resulting temperatures of globe thermometer from six sides. Stereo-temperature can be used for calculation radiation temperature and for evaluating radiation asymmetry (Δt pr ) in the meaning of CSN EN ISO 773 or it can be used, together with the resulting temperature of globe thermometer, used as a suitable indicator of total and irregular thermal load. Key words: stereo-thermometer, irregular thermal-radiation load, evaluating thermal load, climatic chamber

2 Úvod Česká zdravotnická legislativa postrádá zatím metodiku na měření a hodnocení nerovnoměrné radiační zátěže. Základním dokumentem v oblasti posuzování nerovnoměrné tepelné zátěže je ČSN EN ISO 773 (1), která je českou verzí evropské normy EN ISO 773:2. Tato norma vychází z předpovědi tepelného pocitu člověka výpočtem předpovědi středního tepelného pocitu (PMV) a předpovědi procentuálního podílu nespokojených osob (PPD), které budou pociťovat v daném prostředí diskomfort ve smyslu přílišného tepla nebo chladu. Výpočet procenta nespokojených v důsledku asymetrie radiační teploty vyžaduje finančně náročné přístrojové vybavení pro měření radiační teploty. Cílem naší práce bylo ověřit vhodnost kulového stereoteploměru (6) (obr. 1) pro měření a hodnocení nerovnoměrné radiační zátěže. Hlavní součástí stereoteploměru je koule o průměru 1 mm, jejíž kovový plášť je tvořen šesti navzájem oddělenými shodnými segmenty upevněnými na tepelně nevodivém jádru. Osy segmentů vytváří ortogonální systém. Konstrukce jádra zamezuje přenosu tepla vedením i sáláním mezi sousedními i protilehlými segmenty. Jádro současně zajišťuje potřebnou pevnost koule. Teplota z jednotlivých segmentů je snímána pomocí tepelných čidel připevněných na jejich vnitřní plochu. Údaje o teplotách všech segmentů jsou kontinuálně registrovány a ukládány do paměti registračního zařízení, které současně vypočítává i výslednou kulovou teplotu jako prostý průměr teplot všech šesti segmentů. Přístroj byl testován v klimatické komoře ZÚ Ostrava v širokém rozsahu tepelně vlhkostních podmínek a prokázal velmi dobrou shodu s hodnotami naměřenými klasickým kulovým teploměrem Vernon-Jokl. Proti dosud používanému kulovému teploměru Vernon-Jokl má nový přístroj podstatně kratší dobu ustálení, která nepřesáhne za obvyklých průmyslových podmínek 1 minut. Metodika Pokusy byly konány v klimatické komoře Zdravotního ústavu v Ostravě. Komora má rozměry m (obr. 2). Upravený vzduch je přiváděn otvorem 1 1 mm a je odváděn stejně velkým otvorem v protilehlé stěně komory. Komora umožňuje nastavení laminárního proudění vzduchu v rozsahu,2 až 2 m/s, teploty vzduchu v rozsahu až 6 C a relativní vlhkosti v závislosti na teplotě vzduchu v rozsahu 3 až 9 %. Intenzita jednostranného sálání od zadní stěny komory nebo stropu může být regulována v širokém rozsahu od negativních hodnot, až po hodnoty přesahující 2 W/m 2. Ovládání automatické regulace je přímo z velínu komory, kam jsou přiváděny i údaje o tepelně-vlhkostních podmínkách. Naměřené hodnoty jsou průběžně registrovány po celou dobu měření a ukládány do paměti počítače legenda: 1. sálavý panel 2. chladový panel 3. radiační teplota 4. stereoteploměr Jokl-Jirák. proudění vzduchu 6. kulový teploměr Vernon-Jokl 7. směr proudění vzduchu 8. stropní sálavý panel 9. okno velínu 1. vstup do komory Původní práce Obr. 1: Kulový stereoteploměr Tab. 1: Mikroklimatické podmínky v klimatické komoře Obr. 2: Schéma klimatické komory Pokusy byly rozděleny do 3 etap podle rychlosti proudění vzduchu. V etapě I bylo proudění vzduchu v a =,2 m/s, v etapě II v a =, m/s a v etapě III v a =1, m/s. Tepelné podmínky v komoře byly voleny v jednotlivých etapách tak, aby výsledná teplota kulového teploměru (t g ) odpovídala ve všech pokusech optimálním podmínkám pro fyzicky nenáročnou práci vsedě, tj. 24 C. V pokusech s vertikální sálavou plochou, kdy sálající plochou byla zadní stěna komory, byla radiační zátěž volena tak, aby rozdíl radiační teploty měřené ve směru sálání (t ra ) proti výsledné teplotě kulového teploměru [Δ (t ra t g )] činil v jednotlivých pokusech -1 C až +2 C. V pokusech, kdy sálající plochou byl strop (horizontální sálavá plocha), byla zvolena intenzita sálání 1, 1 a 2 W/m 2, čemuž odpovídá t ra = 4, 3 a 8 C a Δ(t ra t g ) = 21, 29 a 34 C (tab. 1). české pracovní lékařství číslo 1 28 Vertikální sálavá plocha Pokus č. Horizontální sálavá plocha t g ( C) t ra ( C) Δ t ra -t g ( C) Pokus č. t g ( C) t ra ( C) Δ t ra -t g ( C) Pokus č. t g ( C) t ra ( C) Δ t ra -t g ( C) W/m

3 české pracovní lékařství číslo 1 28 Původní práce 4 V průběhu jednotlivých podmínek byla kontinuálně měřena na úrovni 11 cm od podlahy (2) stíněná suchá teplota vzduchu (t a ), radiačná teplota ve směru sálání (t ra ) a od protilehlé stěny (t rb ), rychlost proudění vzduchu (v a ) a relativní vlhkost vzduchu (RH) přístrojem Indoor Climate Analyser typ 1213 fy Bruel a Kjaer. Výsledná teplota kulového teploměru (t g ) a stereoteplota (t stereo ) byla měřena námi vyvinutým kulovým stereoteploměrem (6, 7). Pro statistické hodnocení byla použita korelační a regresní analýza. Zpracování bylo provedeno v programu Stata v.9 (8). Výsledky Hodnoty mikroklimatických podmínek naměřených v jednotlivých pokusech etapy I až III jsou uvedeny v tabulce 2. Obrázek 3 znázorňuje vztah mezi stereoteplotou naměřenou kulovým stereoteploměrem (t stereo ) a radiační teplotou, naměřenou ve směru od sálající plochy (t ra ). Korelační koeficienty pro jednotlivé rychlosti proudění vzduchu se pohybují v rozsahu R =,9797 až,998. Zatím co t ra je na proudění vzduchu nezávislá, t stereo se v závislosti na proudění vzduchu v jednotlivých etapách mění. Obrázek 4 znázorňuje vztah mezi t stereo a t ra bez ohledu na rychlost proudění vzduchu (v a =,2 až 1 m/s). Korelační koeficient pro výše uvedený vztah je R =,972. Velmi dobrou korelaci jsme nalezli i mezi rozdílem hodnot stereoteploty a kulové teploty Δ(t stereo -t g ) na jedné straně a rozdílem hodnot radiační teploty ze dvou protilehlých stran Δ(t ra -t rb ), a to jak pro jednotlivé rychlosti proudění vzduchu (obr. ), tak bez ohledu na rychlost proudění vzduchu (R =,9874) (obr. 6). Obr. 3: Vztah mezi radiační teplotou (t ra ) a stereoteplotou (t stereo ) v závislosti na rychlosti proudění vzduchu tra ( C) tra ( C) t s te re o ( C ) y = 3,9996x - 71,292 R =,972 y = 3,4 1 3 x - 7, 4 R =, y = 4,1 4 x - 7 4,9 7 1 R =,9 9 y =,4 6 x - 1 8,3 3 R =,9 9 8 v =,2 m /s v=, m /s v = 1 m /s Obr. 4: Vztah mezi radiační teplotou (t ra ) a stereoteplotou (t stereo ), bez ohledu na rychlost proudění vzduchu, v =,2 až 1m/s t s te re o ( C ) Obr.: Vztah mezi rozdílem hodnot (t stereo -t g ) a (t ra -t rb ) v závislosti na rychlosti proudění vzduchu v =,2 až 1 m/s t stereo -t g ( C) t r A-trB ( C ) y =,273x +,229 R =,9897 y =,224x +,348 R =,9937 y =,1912x +,77 R =,992 v=,2 m/s v=, m/s v=1 m/s Obr. 6: Vztah mezi rozdílem hodnot (t stereo - t g ) a (t ra -t rb ) bez ohledu na rychlost proudění vzduchu, v =,2 až 1 m/s tstereo - t g ( C) 1 1 y =,2297x +,27 R =, t r A - t r B ( C ) Diskuse Kulový stereoteploměr umožňuje současné měření výsledné teploty kulového teploměru a stereoteploty. Proti klasickému kulovému teploměru má výhodu v kratší době ustálení. Vzhledem k tomu, že stereoteplota velmi dobře koreluje s radiační teplotou, je možné využít stereoteplotu k výpočtu radiační teploty, a to současně ze všech šesti směrů. Stereoteplota a z ní vypočítaná radiační teplota může být využita pro posouzení radiační asymetrie z dvou protilehlých stran (Δt pr ) ve smyslu ČSN EN ISO 773, nebo může být stereoteplota spolu s výslednou teplotou kulového teploměru využita přímo jako vhodný indikátor celkové i nerovnoměrné radiační zátěže. Návrh hodnocení radiační asymetrie pomocí kulového stereoteploměru je předmětem našich dalších prací (4,, 7). Rovnice pro přepočet t stereo na t ra a přepočet Δ (t stereo -t g ) na Δ (t ra -t rb ) jsou uvedeny v tabulkách 3a a 3b. Závěr Kulový stereoteploměr umožňuje současné měření výsledné teploty kulového teploměru a stereoteploty ze šesti stran. Stereoteplota může být využita k výpočtu radiační teploty a pro posouzení radiační asymetrie (Δt pr ) ve smyslu ČSN EN ISO 773 nebo může být spolu s výslednou teplotou kulového teploměru využita jako vhodný indikátor celkové i nerovnoměrné tepelné zátěže. Práce byla vykonána v rámci Výzkumného záměru MPSV, identifikační kód: MPS291.

4 Tab. 2: Průměrné hodnoty mikroklimatických podmínek naměřených v rámci jednotlivých pokusů etapy I až III PODMÍNKA t g t ra t ra -t g t rb t stereo t a t ra -t g ( C) v a (m/s) o C o C o C o C o C o C Chladná stěna -1 23,6 16, -7,1 2,9 21,1 27 Chladná stěna - 23,7 18,8-4,9 24,9 22,3 24, Optimum 23, 23, 23,8 23, 23,7 Teplá stěna 24,9 29 4,1 2 26,6 22,4 Teplá stěna 1,2 23,9 34 1,1 24,6 26,6 19,4 Teplá stěna ,8 19,8 27, 29,4 17,6 Původní práce Teplý strop (1W.m -2 ) , 2, 23,8 29,1 2,2 Teplý strop (1W.m -2 ) 29 24, 2,6 28,1 24,1 31,4 19,1 Teplý strop (2W.m -2 ) , 3, 23,9 34,6 16,3 Chladná stěna -1 23,9 16-7,9 2,9 21,8 2, Chladná stěna ,6 -,4 24,8 22,7 2,2 Optimum 24,3 24,2 -,1 24,4 24,3 24,4 Teplá stěna 23,3 29,1,8 24,9 2,1 2,4 Teplá stěna 1, 23,7 34, 1,8 2,4 26,9 19,6 Teplá stěna ,9 2,9 27,3 28,3 19,4 Teplý strop (1W.m -2 ) 21 23,9 43,7 19,8 24,3 28,4 2,1 Teplý strop (1W.m -2 ) 29 24,1 2, 28,4 24 3,6 19,8 Teplý strop (2W.m -2 ) 34 24, 8,6 34,1 24,1 32,6 2,9 Chladná stěna -1 24,2 1,7-8, 24,7 22,4 26,6 Chladná stěna - 24,8 18,9 -,9 2,1 23,7 2,6 Optimum 24, 24,4 -,1 24,6 24, 24,4 Teplá stěna 24,3 29,3 24,7 2 24,8 Teplá stěna ,2 34,3 1,1 2, 26,2 22,9 Teplá stěna 2 24,2 34,3 1,1 2, 26,2 22,9 Teplý strop (1W.m -2 ) 21 24,1 4 2,9 24, 27,8 22,2 Teplý strop (1W.m -2 ) 29 24,3 2,8 28, 24,7 29,4 21,9 Teplý strop (2W.m -2 ) 24 24, 8, 34, 24, 3,6 22, Tab. 3a: Vztah mezi stereoteplotou( t stereo ) a radiační teplotou (t ra ). Kde: y = t ra ( C), x = (t stereo ) ( C) Vztah mezi t stereo a t ra ( C) v a (m/s) R 2 Rovnice,2-1,9418 y =,2321x + 18,3,2,9738 y =,2842x + 17,72 Tab. 3b: Vztah mezi Δ(t stereo t g ) a Δ (t ra -t rb ) Kde: y = Δ (t ra -t rb ) ( C), x = Δ(t stereo -t g ) ( C) Vztah mezi (t stereo -t g ) a (t ra -t rb ) v a (m/s) R 2 Rovnice,2-1,9499 y = 4,1347x -,284,2,979 y = 3,6242x -,98 české pracovní lékařství číslo 1 28,,9876 y =,2332x + 18,4 1,9936 y =,1789x + 2,62,,9874 y = 4,387x - 1,397 1,98 y =,17x -,21

5 české pracovní lékařství číslo 1 28 Původní práce literatura 1. ČSN EN ISO 773 Ergonomie tepelného prostředí Analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kriteria místního tepelného komfortu. 2. ČSN EN ISO 7726 Ergonomie tepelného prostředí Přístroje pro měření fyzikálních veličin. 3. BERNATÍKOVÁ Š., JIRÁK Z., JOKL M.V., TOMÁŠKOVÁ H., MALÝ S., KILIÁN L.,: Nerovnoměrná tepelná zátěž výsledky subjektivního hodnocení. České pracovní lékařství. Předáno k tisku. 4. JIRÁK Z., TOMÁŠKOVÁ H., JOKL M.V., BERNATÍKOVÁ Š., MALÝ S., KILIÁN L., ŠEBESTA D.: Odezva fyziologických ukazatelů na nerovnoměrnou radiační zátěž v experimentálních podmínkách v klimatické komoře. České pracovní lékařství. Předáno k tisku.. JIRÁK Z., JOKL M.V., ŠEBESTA, D., TOMÁŠKOVÁ H., BERNA- TÍKOVÁ Š., MALÝ S.: Hodnocení nerovnoměrné tepelné zátěže pomocí kulového stereoteploměru. České pracovní lékařství. Předáno k tisku. 6. JOKL, M.V., VAJNER L.: Kulový teploměr. Užitný vzor č Zapsaný JOKL, M.V., JIRÁK Z., ŠEBESTA D.: Nový způsob hodnocení nerovnoměrné tepelné zátěže člověka. Vytápění, větrání, instalace,, 2, s STATA Statistical software: Release 9. College Station,TX: Stata Corporation 2. Prof. MUDr. Zdeněk Jirák, CSc. Ostravská univerzita v Ostravě Zdravotně sociální fakulta Ústav fyziologie a patofyziologie Syllabova 19, 73 Ostrava-Vítkovice zdenek.jirak@osu.cz