69 2 • 2009 kgh

BI­BLI­D 0350–1426 (206) 38:2 p. 69–72

THERMAL COMFORT CRITERIA FOR DESIGN OF HEATING SYSTEMSI­n general nationally specified criteria for design and dimensioning of systems must be used, but in case of no national regulations international standards like EN12828, I­SOEN7730 or EN15251 gives general design reguirements and recommended design values for thermal comfort in informative annexes. The recommended criteria are given for general thermal comfort based on PMV – PPD or operative temperature and for local thermal comfort parameters like vertical air temperature differences, radiant temperature asymmetry, draft and surface temperatures.

KEY wORDS: thermal comfort; heating systems; radiant temperature; draft; design

U principu, pri projektovanju i dimenzionisanju sistema moraju se koristiti nacionalno specificirani kriterijumi, ali ako nema nacionalnih propisa, onda međunarodni standardi, poput BN 12828, I­SOEN7730 ili EN15251, sadrže opšte zahteve i preporučene projektne vrednosti za toplotnu ugodnost u informativnim aneksima. Preporučeni kriterijumi su dati za opštu toplotnu ugodnost baziranu na PMV-PPD (engl.: PMV – predviđeni prosečni glas; PPD – predviđeni procenat nezadovoljnih), ili radnu temperaturu za lokalne parametre toplotne ugodnosti poput razlika temperature vazduha po visini, asimetrije temperature zračenja, strujanja vazduha i površinskih temperatura

Ključne reči: toplotna ugodnost; grejni sistemi; temperatura zračenja; strujanje vazduha; projektovanje

Prof. dr BjARNE w. OLESEN, International Centre for Indoor environment and energy Department of Civil engineering, Technical university of Denmark, Lyngby, Denmark

KRITERIJUMI TOPLOTNE UGODNOSTI PRI PROJEKTOVANJU GREJNIH SISTEMA

Kriterijumi za opštu toplotnu ugodnostPri projektovanju zgrada i dimenzionisanju sistema KGH, kao ulazne vrednosti za grejno opterećenje (EN12831 [7]) treba uzeti kriterijume toplotne ugodnosti (minimalnu sob-nu temperaturu zimi, maksimalnu sobnu temperaturu leti) i potreban broj izmena vazduha za prihvatljivi kvalitet unu-trašnjeg vazduha. To će garantovati dostizanje minimalne sobne temperature pri projektnim spoljnim uslovima i pro-jektnim unutrašnjim opterećenjima. Baza za uspostavljanje kriterijuma je I­SOEN7730 i primena indeksa PMV–PPD, kako je to izloženo u tabeli 1.Na osnovu specificirane ili pretpostavljene vrste odevanja i aktivnosti stanara, moguće je izračunati odgovarajuće op-sege radne temperature. Kao primer, kriterijumi za projek-tovanje toplotne ugodnosti za različite vrste prostora sa aktivnostima koje se obavljaju sedeći i u uobičajenoj zim-skoj odeći, izloženi su u tabeli 1.Za projektovanje (dimenzionisanje) grejnog sistema (emi-ter, distribucija i proizvodnja) treba koristiti tabelu 1, u za-

visnosti od toga koja se kategorija unutrašnje sredine izabere. Izbor više klase sa strožim kriterijumima, dovešće do većih računskih projektnih opterećenja, a onda i do ve-ćih sistema i opreme. Za rad grejnih sistema treba uzeti središnu tačku tempera-turnog opsega kao ciljnu vrednost, mada unutrašnja tem-peratura može fluktuirati unutar opsega zbog uloge uštede energije ili algoritma regulacije.Sistem emisije toplote mora takođe da ispuni zahtev – da razlika između radnih temperatura u najtoplijem delu pro-stora mora biti unutar izabranog opsega temperature (3–5 K). Posebno u veoma dubokim prostorijama sa zastaklje-nom fasadom, razlika može biti kritična.Uprošćenom projektnom metodom (Olesen, 1983) pokaza-no je da najveća razlika radne temperature u jednoj prosto-riji na spoljnoj temperaturi od –12°C može biti izračunata prema jednačini:

t02 – t01 = < 0,96 Uw, K

70kgh 2 • 2009

gde je t01 radna temperatura u najhladnijem delu prostora, °C, t02 radna temperatura u najtoplijem delu prostora, °C, a Uw je prosečna U-vrednost fasade, W/m2K. To znači da čak i ako je fasada od standardnog dvostrukog stakla, U = 2,9 W/m2K, razlika će biti manja od 3 K. To ispunjava meri-la čak i za kategoriju I. Za tipični savremeni standardni pro-zor, U = 1,5 W/m2K, razlika u radnoj temperaturi je manja od 1,5 K. Važno je da razlika bude manja od kriterijalne jer će dodatnu promenu radne temperature izazvati ragulacio-ni sistem. Ako je razlika suviše velika, neophodno je pozi-cionirati emiter toplote na fasadi (radijator, podno grejanje, konvektor), promeniti projekat fasade i izabrat bolju fasad-nu izolaciju (prozor, zid).

Merila za lokalnu toplotnu ugodnostMerila za strujanje vazduha razlike temperatura po visini vazduha, asimetriju zračenja i temperature površina, tako-đe će uticati na projekat i dimenzionisanje sistema KGH u zgradi. Ta merila su obuhvaćena ISOEN7730.

1. Razlike temperatura vazduha po visini

Jedna od osnovnih odlika zračećeg podnog grejanja i hla-đenja su ujednačeni temperaturni uslovi od poda do pla-fona. Merenja pokazuju da veliki panelni radijatori podnog grejanja ispod prozora imaju veoma ujednačen temperatur-ni profil. Veći broj konvektivnih sistema (ploče pod prozo-rom, sistemi sa vrelim vazduhom, zadnji zid), ili sistemi sa vodom visoke temperature, imaju veće razlike u temperaturi vazduha. Standard I­SOEN7730 zahteva razliku temperatu-re po visini manju od 3 K između stopala i glave (kategorije II) i ispod 2 K (kategorija I). Obično je veoma teško proceni-ti profil temperature vazduha u fazi projektovanja. Međutim, mogu se koristiti proračuni prema numeričkoj dinamici flui-da (engl. CFD). U savremenim dobro izolovanim zgradama to neće izazvati nikakvu neugodnost.U prostorima sa visokom tavanicom, kao što su industrijske hale, atrijumi i hangari, povećana stratifikacija značajno po-većava gubitak toplote zbog povišenja prosečne tempera-ture prostora.

2. Asimetrija temperature zračenja

Ljudi su najosetljiviji na asimetrično zračenje izazavano vru-ćom tavanicom ili hladnim zidovima – prozorima. Do teš-koća može doći zbog asimetrične temperature od 5 K za vruću tavanicu i 10 K za hladne zidove (kategorija II, ISO-EN7730). Obično su radijatori/konvektori smešteni ispod prozora, da bi se izbegli problemi. Zahvaljujući razvoju viso-ko izolovanih prozora, to međutim, više nije problem. I mak-simalna asimetrija temperature zračenja može se izračunati u fazi projektovanja (Olesen, 1983) prema jednačini:

∆tpr < 3,96Uw, K

To znači da ako je fasada od standardnog dvostrukog sta-kla, U = 2,9 W/m K, asimetrija će biti 11,5 K, što je više od

3. Strujanje vazduhaStrujanje na dole sa hladnih površina (prozora), drugi je faktor koji može izazvati neugodnost i zahtevati grejanu površinu ispod hladnog zida/prozora. Na osnovu metode proračuna, može se odrediti odnos između visine prozora, U-vrednosti za zid/prozor, spoljne temperature i maksimal-no prihvatljive brzine vazduha (I­SOEN7730–2004). Na slici 1 prikazan je jedan primer, gde je maksimalna brzina vaz-duha u nastanjenoj zoni 1 m od hladne vertikalne površine (zida, prozora), prikazana kao funkcija visine prozora-zida i U-vrednosti spoljne temperature od –12°C.Za kategoriju II, kriterijumi za brzinu vazduha, uzimajući u obzir izračunatu nižu temperaturu vazduha i pretpostavlje-nu jačinu turbulencije od 20%, iznose 0,18 m/s. To znači da ako je prozor sa standardnim dvostrukim staklom, U = 2,9 W/m2K, prozor ne bi trebalo da bude viši od 1,5 m. Za obi-čan savremeni standardni prozor, U = 1,5 W/m2K, visina bi mogla biti cela visina prostorije –3,5 m.

0,40

0,35

0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0,000 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

1 = 4

2 = *3

3 = 24 = 1,55 = *1,26 = 1,07 = 0,88 = *0,69 = 0,410 = 0,2

Brzin

a vaz

duha

[m/s]

U-vrednost,[W/m2K]

Visina prozora/zida [m]

Slika 1. Dijagram pokazuje maksimalnu brzinu vazduha duž poda 1 m od hlađenog zida kao funkciju visine prozora/zida U-vredno-sti na spoljnoj temperaturi od –12°C (EK15377-1) (iz Vodiča Rehve, sl. 3.7)

4. Temperatura površine podaTemperatura površine poda ima direktan uticaj na ugodnost stopala. Preporučene temperature poda će, međutim, zavi-siti od podova koji ljudi zauzimaju sa cipelama i prostora u kojima su bosi. U međunarodnim standardima, preporučuje se opseg temperatura poda od 19°C do 29°C u zoni stano-vanja za prostorije u kojima se radi sedeći i/ili stojeći, kada stanari imaju normalnu obuću. To je ograničavajući faktor za kapacitet podnih sistema. Za grejanje, maksimalna tem-peratura je 29°C, koja će na projektnoj temperaturi prosto-rije od 20°C pružiti toplotu od l00 W/m. Ove vrednosti su bazirane na proseku između stanara koji sede i onih koji stoje; osobe koje sede više će voleti ~1 K više temperatu-re poda, a osobe koje stoje ~1 K niže temperature površi-

Tabela 1. Primeri preporučenih kategorija za projektovanje mehanički grejanih i hlađenih zgrada

Vrsta zgrade ili prostora Kategorija PPD, % PMV Temper. opseg za grej., °C,

odevanje ~ 1,0 klo

Temp. opseg za hlađenje, °C,

odevanje ~ 0,5 kloKancelarije i prostori sa slič-nom aktivnošću (izdvojene kancelarije, kanc. u otvo-renom prostoru, konferenc. sobe, auditorijumi, kafeteri-je, restorani, učionice (aktiv-nost ~ 1,2 met)

I 6 – 0,2 < PMV <+0,2 21–23 23,5–25,5

II 10 – 0,5 < PMV < +0,5 20–24 23,0–26,0

III 15 – 0,7 < PMV < +0,7 19–25 22,0–27,0

merila kategorije I­I­ od 10 K. To is-punjava kriterijume čak i za kate-goriju I. Za uobičajeni savremeni standardni prozor, U = 1,5 W/m K, asimetrija će biti manja od 6 K. Kritetijum za asimetriju temperatu-re zračenja sa grejane tavanice će ograničiti prihvatljivu temperatu-ru površine tavanice, a onda i ka-pacitet grejanja (videti pogavlje o temperaturi tavanice).

71 2 • 2009 kgh

ne. U standardu EN 15377-1, prihvatljivo je uzeti 35°C kao projektnu temperaturu poda izvan zone korišćenja, tj. do 1 m po obimu fasade. U prostorijama u kojima stanari mogu biti bosi (kupatila, bazeni, svlačionice), optimalna tempera-tura poda za ugodnost takođe zavisi od materijala kojim je pod obložen, ili od koga je on napravljen.

5. Temperatura zidaZa grejanje zida, maksimum leži između 35°C i 50°C. Mak-simum može zavisiti od primene sistema za grejanje zida, ako je sistem korišćen u zonama u kojima stanari mogu lako stupiti u kontakt sa površinom, ili ako je on korišćen u zgradama za osetljivije osobe, kao što su deca ili stari-ji. Opasnost od opekotina i bolova predstavlja temperatura kože od 42°C do 45°C i zavisi od provodljivosti površinskog sloja. Temperatura površine radijatora takođe može biti ograničena. U nekim zemljama, ona je ograničena na 55°C. Razlika u odnosu na grejanje zida je u tome što je radijator vidljiv, i ljudi mogu biti upozoreni.

6. Temperatura tavaniceZahtevi u pogledu temperature površine tavanice ne bi tre-balo da izazovu suviše visoku asimetriju temperature zra-čenja. Asimetrija zračenja zavisi od faktora ugla između malog ravnog elementa i tavanice. Dijagram na sl. 2 poka-zuje prihvatljivu temperaturu površine u zavisnosti od geo-metrije prostorije, kada su sve ostale temperature površine jednake sa temperaturom vazduha od 20°C.Za prostoriju čije su dimenzije 2,4 m x 4,8 m x 2,7 m visi-ne, faktor ugla je 0,42 između tavanice i osobe koja sedi u centru prostorije. Za grejanje, pretpostavlja se da sve ostale površine osim grejane tavanice, imaju temperaturu jednaku projektnoj unutrašnjoj temperaturi od 20°C. Asimetrija zra-čenja sa grejane tavanice mora onda biti manja od 5 K:

0,42 x Qtavanica + (1 – 0,42) x 20°C) – 20°C < 5 K

To znači da maksimalna prosečna temperatura tavanice od 32°C predstavlja ograničenje.

Nestacionarno stanje toplotne sredineOsnova prethodno opisanih metoda su stacionarni uslo-vi. Toplotna sredina je, međutim, često u nestacionarnom stanju, pa je pitanje da li se metode mogu primeniti. Mogu nastati tri vrste nestacionarnih stanja: temperaturni ciklusi, temperaturna strujanja i prelazni procesi. Ovi faktori su ta-kođe obuhvaćeni standardima ISOEN7730 i ASHRAE 55–2004.

1. Temperaturni ciklusiTemperaturni ciklusi mogu nastati regulacijom temperature u jednom prostoru. Ako je promena od vršne vrednosti do vršne vrednosti manja od 1 K, to neće uticati na ugodnost, pa se mogu koristiti preporuke za stacionarno stanje. Veće promene vršne vrednosti mogu umanjiti ugodnost.

2. Temperaturna strujanjaZa temperaturna strujanja merila su različita u ISOEN7730 i u ASHRAE-55. U I­SO-u stoji da ako je stepen promene temperature na osnovu koga se uspostavlja strujanje niži od 2,0 K na sat, primenjuju se metode za stacionarno sta-nje.U tabeli 2 ASHRAE-55 određena je maksimalna promena radne temperature dopuštena u jednom periodu vremena. Za svaki dati vremenski period, primenjuju se najrestriktiv-niji zahtevi iz tabele 2. Na primer u toku jednočasovnog pe-rioda, radna temperatura se ne sme menjati više od 2,2°C;

ona se takođe ne sme menjati više od 1,1°C u svakih 0,25 h u tom jednom satu. Ako varijacije nastaju kao rezultat re-gulacije ili podešavanja koje vrši korisnik, mogu se prihva-titi veće vrednosti.

80

70

60

50

40

30

20

10

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Prihv

atljiv

a tem

pera

tura p

ovrši

ne [°

C]

Ugaoni faktor (Vodič Rehve 7, sl. 3.4)

Slika 2. Odnos između prihvatljive temperature površine tavanice i faktora ugla (Vodič Rehve 7, sl. 34)

Tabela 2. Granice temperaturnih odstupanja prema ASHRAE–55

Vremenski period 0,25 h 0,5 h 1 h 2 h 4 h

Maksimalno dozvoljena promena radne temperature 1,1°C 1,7°C 2,2°C 2,8°C 3,3°C

Novi rezultati (Kolarik i dr., 2007) su, međutim, pokazali da se pri odstupanju temperature manjem od 4 K/h, stanje može razmatrati kao stacionarno (PMV-PPD). Onda prepo-ručeni opseg ugodnosti ne zavisi od temperaturnih odstu-panja, tj. može se dopustiti odstupanje sobne temperature unutar stacionarnog opsega ugodnosti, ali se ne može iza-ći iz opsega. To se može koristiti za smanjenje vršnih opte-rećenja sistema i smanjenje potrošnje energije, a pomoću mase zgrade mogu se preneti i neke od grejnih potreba u noćni period. Zahvaljujući toplotnoj masi zgrade, proseč-na odstupanja radne temperature obično će biti manje od 2 K/h, a u najvećem broju slučajeva čak i niže od 1 K/h.

3. Prelazni procesiUopšteno govoreći, u pogledu prelaznih procesa može se reći sledeće:– stepenasta promena radne temperature oseća se tre-

nutno;– nakon povišenja radne temperature, trenutno se doživlja-

va nova stacionarna toplotna senzacija, tj. može se kori-stiti PMV-PPD za predviđanje ugodnosti;

– sledeći sniženje radne temperature, opada osećaj toplo-te prvo do nivoa ispod onog predviđenog pomoću PMV, a onda se povećava i dostiže, pod stacionarnim uslovima stacionaran nivo nakon 30 minuta, tj. PMV–PPD pred-viđa visoke vrednosti prvih 30 minuta. Vreme do novog stacionarnog stanja zavisi od početnih uslova.

ZaključciU fazi projektovanja grejnih sistema i zgrade, može se uze-ti u obzir najveći broj kriterijuma ugodnosti. To se može učiniti relativno jednostavnim ručnim izračunavanjem, ili softverom za kompjutersku simulaciju. Ulazne vrednosti su proračuni toplotnog opterećenja, parametri zgrade (U-vred-nosti) i projektna spoljna temperatura.Kriterijumi za toplotnu ugodnost mogu se naći u postojećim evropskim standardima.

72kgh 2 • 2009

Dopuštanje odstupanja sobne temperature tokom dana može sniziti vršno opterećenje i smanjiti potrošnju energije sve dok u zoni ugodnosti traje odstupanje.

Literatura[1] *** CEN EN 15251, 2006, Indoor environmental input

parameters for design and assessment of energy perfor-mance of buildings – addressing indoor air quality, ther-mal environment, lighting and accoustics.

[2] *** EN I­SO 7730, 2005, Moderate thermal environments – Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort.

[3] *** CEN CR 1752-1998, Ventilation for buildings – Desi-gn criteria for the indoor environment.

[4] EN12828, 2002, Heating systems in buildings – Design for water based heating systems.

[5] Olesen, B. w., 1983, A simplified calculation method for checking the indoor climate, ASHRAE Transactions, Vol. 98, Part 2, 1983.

[6] Babiak, jan, Bjarne W. Olesen and Dusan Petras, Low temperature heating and high temperature cooling, REHVA Guide book No. 7, I­SBN 2-9600468-6-6.

[7] *** ASHRAE 2004, ANSI/ASHRAE Standard 55-2004 – Thermal environmental conditions for human occupan-cy, American Society of Heatin Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Atlanta, USA.

[8] Kolarik, j., B. w. Olesen, j. Toftum and L. Mattaro-lo, 2007, Thermal Comfort, Perceived Air Quality and In-tensity of SBS Symptoms During Exposure to Moderate Operative Temperature Ramps. In proceedings of Well-Being I­ndoors – Clima 2007 conference, CD-ROM, Hel-sinki, Finland.

kgh