Obciążenie termiczne w pasywnej hali sportowej w czasie występowania wysokich temperatur zewnętrznych

Zgodnie z definicją W. Feista [1] obiekt pasywny to budynek o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię do ogrzania wnętrza, wynoszącym 15 kWh/(m²·rok).

W takim budynku komfort cieplny zapewniony jest przez pasywne źródła ciepła – mieszkańców, urządzenia elektryczne, ciepło słoneczne, ciepło odzyskane z wentylacji. Ze względu na pasywne pozyskiwanie energii niezwykle istotna jest w takim obiekcie jego właściwa orientacja, odpowiednio ukształtowana bryła oraz optymalizacja każdej z przegród budowlanych.

Budynek pasywny nastawiony jest więc na maksymalizację wykorzystania biernych zysków energetycznych oraz minimalizację strat przy jednoczesnym zapewnieniu korzystnego mikroklimatu wewnętrznego.

Latem, z powodu wysokich temperatur zewnętrznych oraz zysków od znajdujących się w budynku źródeł ciepła, łatwo może dochodzić u użytkowników budynków do przegrzania i zachwiania równowagi cieplnej organizmu. Następują wówczas zaburzenia procesów termoregulacji, objawiające się m.in. wzrostem temperatury skóry, przyspieszeniem oddechu, rozszerzeniem naczyń krwionośnych, zwiększeniem częstości skurczów serca czy zachwianiem gospodarki wodnej i elektrolitycznej organizmu.

Może to prowadzić do osłabienia, nudności i zawrotów głowy. W skrajnych przypadkach dochodzi do zasłabnięcia, utraty przytomności, a nawet udaru cieplnego [2]. Dlatego tak istotna jest na etapie projektowania ocena mikroklimatu wewnętrznego, zwłaszcza w obiektach sportowych. 

Ocena mikroklimatu wewnętrznego w świetle obowiązujących wymagań

Pomiary mikroklimatu polegają na zmierzeniu wielkości podstawowych i pochodnych parametrów fizycznych oraz obliczeniu wartości odpowiednich wskaźników w celu porównania z wymaganiami higienicznymi.

W odniesieniu do mikroklimatu umiarkowanego wymogi te podane są w normie PN-EN ISO 7730:2006 [3], w wypadku środowisk zimnych i gorących należy odwoływać się do Rozporządzenia Ministra Pracy i Polityki Socjalnej w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych w środowisku pracy [4].

Bilans cieplny organizmu

Komfort cieplny definiowany jest jako stan umysłu, w którym człowiek odczuwa równowagę pomiędzy otaczającym środowiskiem a wrażeniami psychofizycznymi. Ilość ciepła powstającego w organizmie w trakcie przemian metabolicznych powinna być wówczas równoważna stratom ciepła oddawanego do środowiska m.in. na drodze promieniowania, konwekcji i przewodzenia [5].

Duży wpływ na odczucia cieplne ma m.in. intensywność przemian metabolicznych. Ciepło metaboliczne rozumiane jest jako strumień ciepła wytwarzany przez organizm w procesach utleniania zachodzących wewnątrz ciała, odniesiony do jednostki pola powierzchni.

Metabolizm wyraźnie zmienia się wraz z aktywnością fizyczną i wyrażany jest w jednostkach met lub W/m2 (1 met = 58,2 W/m2 powierzchni ciała człowieka) (tabela 1).

Istotny wpływ na bilans cieplny organizmu wywiera izolacyjność termiczna odzieży. Jest ona określana za pomocą współczynnika oporności cieplnej, wyrażonego w jednostkach m2·K/W lub clo. Dla prędkości powietrza 0,1 m/s, temperatury powietrza i ścian 21°C oraz wilgotności względnej mniejszej niż 50% 1 clo równa się 0,155 m2·K/W.

Komfort środowiska

Komfort środowiska termicznego oceniany jest przy użyciu wskaźników PMV i PPD.

PMV (Predictive Mean Vote) określa przewidywaną ocenę średnią zgodnie z siedmiostopniową psychofizyczną skalą wrażeń cieplnych Fangera [5]: +3 – gorąco, +2 – ciepło, +1 – dość ciepło, 0 – obojętnie, –1 – dość chłodno, –2 – chłodno, –3 – zimno.

Zgodnie z normą dotyczącą pomiaru mikroklimatu umiarkowanego wskaźnikiem PMV należy się posługiwać przy określonych niżej wartościach parametrów wejściowych:

•  temperatura powietrza wewnątrz budynku – 10–30°C,
•  względna prędkość przepływu powietrza w pomieszczeniu – 0–1 m/s,
•  maksymalne ciśnienie cząstkowe pary wodnej w mierzonym obszarze – 2700 Pa,
•  średnia temperatura promieniowania otaczających powierzchni – 10–40°C,
•  oporność cieplna odzieży – 0–2 clo,
• metabolizm – 1–4 met [3].

Wskaźnik PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) określa procent osób przebywających w danym środowisku odczuwających brak komfortu termicznego. W idealnych warunkach komfortu cieplnego wartość PMV powinna wynosić od –0,5 do +0,5, co odpowiada 10% PPD (rys. 1).

Jeżeli natomiast wartość bezwzględna wskaźnika PMV przekracza 2,0, należy dodatkowo przeanalizować mikroklimat pomieszczenia według stosownych wymagań oceny środowisk: zimnych (PMV < –2) lub gorących (PMV > +2) w celu ustalenia obciążenia termicznego jako „dającego się zaakceptować” lub „tolerować”.

Wskaźnikiem do oceny obciążenia termicznego w środowisku gorącym, wiążącym trzy wielkości: temperaturę powietrza, średnią temperaturę promieniowania oraz wilgotność bezwzględną, jest WBGT (Wet Bulb Globe Temperature). Sposób wykonania pomiaru tego wskaźnika określony jest w normie PN-EN 27243:2005 [6].

Wartości wskaźnika WBGT, podane w stopniach Celsjusza, nie mogą przekraczać w ciągu 8-godzinnego dobowego wymiaru czasu pracy wartości dopuszczalnych zawartych w Rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Socjalnej w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych w środowisku pracy [4].

Podane tam wielkości dopuszczalne zależą od tempa metabolizmu organizmu, związanego z wielkością wysiłku fizycznego, informacją o przystosowaniu człowieka lub nieprzystosowaniu do środowiska gorącego, a także danymi dotyczącymi ruchu powietrza (tabela 2).

Warunki pomiaru mikroklimatu w hali sportowej 

Pomiaru mikroklimatu dokonano w hali sportowej w Słomnikach (fot. 1–2). Obiekt ten ma certyfikat jakości Passivhaus Institut w Darmstadt w Niemczech. W budynku zlokalizowana jest wielofunkcyjna arena sportowa o boisku 22×44 m z trybunami mieszczącymi ok. 240 widzów.

Hala charakteryzuje się wysoką termoizolacyjnością przegród zewnętrznych i bardzo niskim zużyciem energii na cele grzewcze – na poziomie ok. 15 kWh/(m²·rok). Wartości współczynnika przenikania przegród wynoszą ok. 0,1 W/m²·K, a zestawów okiennych – 0,8 W/(m²·K) [7].

Badania środowiska wewnętrznego odbywały się na przełomie miesięcy letnich, kiedy wysokość temperatur zewnętrznych przez okres trzech dni przekraczała 30°C.

Komfort termiczny w obiekcie badany był miernikiem cyfrowym BABUC A. Urządzenie to daje możliwość wykonania pomiarów wielkości podstawowych i pochodnych parametrów fizycznych oraz obliczenia wartości wskaźników mikroklimatu.

W hali zaprojektowano i zrealizowano system wentylacji nawiewno-wywiewnej, która w okresie badania była wyłączona.

Dane rejestrowane były z 10-minutowymi interwałami czasowymi. Przez pierwsze dwa dni pomiarów rolety wewnętrzne były podniesione, a okna, zarówno po stronie północnej, jak i południowej, uchylone (fot. 3).

W trakcie trzeciego dnia pomiarów w hali odbywały się zawody piłki koszykowej mężczyzn. Przy wysokiej temperaturze powietrza zewnętrznego oraz silnym nasłonecznieniu, a także dużej frekwencji osób w sali rolety opuszczono i pozamykano okna po stronie południowej (fot. 4). Działanie to miało na celu ograniczenie dostępu promieni słonecznych oraz gorącego powietrza z zewnątrz.

W trzecim dniu pomiaru, ze względu na opuszczone rolety i odbywające się zawody sportowe, sala musiała być doświetlona światłem sztucznym (fot. 5).

Warunki pomiarów w obiekcie przedstawiono w tabeli 3.

Wyniki badań

Mikroklimat wnętrza hali analizowano pod kątem osób uprawiających sport oraz widzów siedzących na trybunach. Dniem o największej liczbie osób w hali był 1 VII – łącznie było ich ok. 100, przy czym sport uprawiało ok. 20 z nich, a pozostałych 80 siedziało na widowni.

Wytwarzanie energii metabolicznej u osób znajdujących się w ruchu jest równoważne z dużą aktywnością, co odpowiada wartości 3,869 met. W przypadku widzów przebywających na trybunach i dopingujących graczy wybrano aktywność niewielką w pozycji siedzącej, dla której wartość wytwarzanej energii wynosi 1,204 met.

Zestawiono typową dla każdej z dwóch aktywności odzież, której przypisane zostały współczynniki oporu cieplnego. Wartości clo były zbliżone i wyniosły 0,3 dla aktywnych ruchowo zawodników oraz 0,33 w przypadku widzów.

Rozkład temperatury powietrza wewnętrznego podczas pomiaru przedstawiono na rys. 2. W okolicach godz. 14.00 temperatura osiągnęła wartość maksymalną – powyżej 27°C.

Obliczone na podstawie trzydniowych pomiarów wartości wskaźników PMV oraz PPD w odniesieniu do środowiska umiarkowanego podano w tabeli 5. Wyniki pomiarów wskaźnika PMV przedstawiono na rys. 3.

Ponieważ wartość wskaźnika PMV w odniesieniu do zawodnika wyniosła powyżej 2,0 mimo niewysokiej ilości wytwarzanego ciepła metabolicznego, przeprowadzono dodatkową analizę tego rodzaju aktywności, lecz w środowisku gorącym. Pozwoliło to na wyznaczenie wskaźnika obciążenia termicznego WBGT i porównanie go z wartościami dopuszczalnymi, zawartymi w rozporządzeniu ministra pracy i polityki społecznej [4].

Wykonano obliczenia w odniesieniu do dwóch wartości aktywności zawodnika; pierwszej, takiej, jak założono w środowisku umiarkowanym, równej 3,869 met, i drugiej – wynoszącej 7,481 met, lepiej odzwierciedlającej duży wysiłek fizyczny podczas uprawiania sportu wyczynowego. Wyniki przedstawiono w tabeli 6.

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów obliczono w programie InfoGap dwie wartości wskaźnika WBGT (rys. 4), wiążącego wyniki pomiarów wielkości pochodnych: temperatury wilgotnej naturalnej t_nw i temperatury poczernionej kuli t_g oraz w pewnych przypadkach wyniki pomiaru wielkości podstawowej, tj. temperatury powietrza t_a:

•  int. – wewnątrz i na zewnątrz budynku bez nasłonecznienia – WBGT = 0,7 Bt_nw + 0,3 t_g,
•  ext. – na zewnątrz budynków z nasłonecznieniem – WBGT = 0,7 Bt_nw + 0,2 t_g +0,1 t_a.

Zestawienie wyników

Uśredniona w odniesieniu do 3-dniowego okresu badawczego wartość współczynnika PMV dla widza wyniosła –0,01. Minimalna wartość równa –0,71 została osiągnięta 30 VI ok. godz. 4.00, a więc wtedy, kiedy hala nie była używana. Wartości maksymalne, oscylujące w granicach 1,00 PMV, przypadały na okolice godz. 14.00, kiedy temperatura wewnątrz hali przekraczała 27°C.

W wypadku zawodnika wskaźnik przewidywanej oceny średniej przekraczał wartość 2,0 w ciągu całego cyklu pomiarowego. Średnia wartość wyniosła 2,63. Maksimum, równe 3,47, przypadło 1 VII na godz. 15.00, przy czym w tym dniu już od godziny 11.00 wskaźnik PMV przekraczał wartość 3,00. Temperatura wewnątrz hali w tym czasie utrzymywała się na poziomie 27°C, a ok. godz. 15.00 doszła do wartości 27,94°C.

Analiza przeprowadzona jak dla środowiska gorącego, w odniesieniu do dwóch różnych rodzajów aktywności zawodnika, ­pokazała, że średnie wartości wskaźnika WBGT były identyczne i wyniosły 23,31°C dla WBGT_int. oraz 23,25°C dla WBGT_ext.

Maksimum wynoszące niewiele powyżej 26,00°C odnotowano w okolicach godz. 14.00 w dniu 1 VII. Wartości minimalne równe 21,07°C (ext.) oraz 21,14°C (int.) zostały zanotowane o godz. 3.00 dnia 30 VI. Wtedy to wskaźnik WBGT, od godz. 0.10 do 7.50, oscylował pomiędzy wartością 21,00°C a 22,00°C. Przy analizie wyników należy zaznaczyć, że godziny nocne nie są nigdy czasem pracy i eksploatacji hali.

Wilgotność w pomieszczeniu wynosiła ok. 60% przy wyłączonej wentylacji oraz uchylonych oknach. W momentach krytycznych dnia 1 VII w godz. od 12.00 do 14.30 osiągała wartość powyżej 70%, a jej maksimum było równe 73,30%.

Ciśnienie cząstkowe pary wodnej p_a w szczytowym momencie wyniosło 2,64 kPa i nie przekroczyło wartości maksymalnej wynoszącej 2,7 kPa.

Wnioski

Na podstawie wyników badań można sformułować następujące wnioski dotyczących oceny warunków mikroklimatycznych w hali podczas wysokich temperatur zewnętrznych:

•  w wypadku niewielkiej aktywności fizycznej, przy wysokich temperaturach zewnętrznych, użytkownik hali będzie się znajdował w idealnych dla jego organizmu warunkach. Średnia wartość współczynnika PMV dla widza wyniosła bowiem –0,01 i odpowiadała warunkom komfortu cieplnego według kryterium podanego przez Fangera [5] oraz normę PN-EN ISO 7730:2006 [3];
• wskaźnik PMV w odniesieniu do zawodnika przekroczył wartość graniczną wynoszącą 2,0, co było powodem analizy pod kątem niekorzystnego obciążenia termicznego. Wartość parametru WBGT_int. wynosiła 23,31°C, a WBGT_ext. była równa 23,25°C. 
  Przy założeniu, że osoby uprawiające sport nie były przystosowane do wysiłku w środowisku gorącym, nieodczuwalny był dla nich ruch powietrza, a ich tempo metabolizmu wynosiło 225 W/m², do oceny warunków w hali przyjęto trzecią z czterech możliwych klas. 
  Zgodnie z rozporządzeniem [4] wartość dopuszczalna WBGT dla tej klasy wynosi 23°C. Oznacza to, że w przypadku hali wartość ta została przekroczona, a w okresach przebywania w obiekcie największej liczby użytkowników wskaźnik WBGT osiągał wartość 25–26°C. 
  Należy zatem stwierdzić, że wysoka temperatura oraz wilgotność narażały organizm zawodników na zaburzenia procesów termoregulacji. Warunki panujące wewnątrz obiektu podczas zawodów można uznać za trudne do zaakceptowania;
• norma klimatu umiarkowanego [3] dopuszcza maksymalną temperaturę wewnętrzną wynoszącą 30°C w pomieszczeniach przeznaczonych do stałego przebywania ludzi. Średnia wartość temperatury powietrza w czasie badań wyniosła 25,05°C, natomiast najwyższa zmierzona temperatura osiągnęła wartość 27,94°C. 
  Można tylko przypuszczać, że temperatura wewnątrz mogłaby być jeszcze wyższa, gdyby nie fakt, że ok. godz. 9.00 dnia 1 VII zasłonięte zostały rolety wewnętrze od strony południowej, co miało ograniczyć zyski od nasłonecznienia. 
  Zewnętrzne łamacze światła przy silnym w okresie letnim promieniowaniu słonecznym w godzinach popołudniowych nie są w stanie zredukować wspomnianych zysków cieplnych;
• wentylacja mechaniczna była całkowicie wyłączona, co mogło wpłynąć na wysoki poziom wilgotności względnej, dochodzący nawet do wartości 73,30%. Uchylone okna, początkowo po obu stronach hali, następnie jedynie po stronie – północnej (z powodu zasuniętych rolet wewnętrznych), nie były w stanie zapewnić odpowiednich warunków w obiekcie;
• temperatury promieniowania wahały się między 23,82°C a 31,59°C i spełniały kryterium stosowalności wskaźnika komfortu PMV dla klimatu umiarkowanego wynoszącego 10–40°C. 
  Ponadto średnia zmierzona wartość temperatury promieniowania t_r = t_a + 0,77, spełnia więc wymagania komfortu, które zakładają, że optymalna t_r to temperatura powietrza t_a ±3;
• zmierzona prędkość przepływu powietrza v_a wyniosła 0,01 [m/s]. Pojedyncze odczyty wskazujące wartości v_a od 0,02 do 0,05 [m/s] mogą świadczyć jedynie o chwilowych ruchach w obrębie sprzętu pomiarowego, związanych z usytuowaniem miernika w miejscu narażonym na przeciągi. Wszystkie wartości spełniają warunki dla mikroklimatu umiarkowanego, gdzie v_a = {0,1} [m/s].

Badania mikroklimatu w pasywnej hali sportowej w okresie letnim dowodzą występowania komfortu cieplnego w obiekcie, ale tylko przy niewielkiej aktywności fizycznej jej użytkowników. Kiedy metabolizm osób przebywających w budynku wzrasta do 3,8 met, nie ma już mowy o korzystnych dla organizmu warunkach.

Obliczone w odniesieniu do wysokich aktywności fizycznych wartości wskaźników WBGT wskazują na występowanie ryzyka zagrożenia zdrowia osób korzystających wówczas z obiektu.

W budynku już istniejącym, bez systemu chłodzenia, kiedy nie można dokonać weryfikacji usytuowania względem stron świata w celu ograniczenia zysków od nasłonecznienia czy też zmodyfikowania ilości i wielkości oszklenia, należałoby się zastanowić nad godzinami korzystania z obiektu.

Przeprowadzona analiza mikroklimatu przy wysokich temperaturach powietrza zewnętrznego nasuwa wniosek, aby zawody sportowe przeprowadzać w godzinach wczesnorannych lub wieczornych. Pozwoli to wyeliminować trudne do zaakceptowania dla organizmu człowieka warunki klimatyczne wewnątrz obiektu.

Literatura

1. W. Feist, G. Schlagowski, R. Kołakowska, „Podstawy budownictwa pasywnego”, Polski Instytut Budownictwa Pasywnego, Gdańsk 2006.
2. E. Krasuska, „Ocena warunków pracy w mikroklimacie gorącym”, „Praca i Zdrowie”, nr 7-8/2007, s. 43–46,http://www.pracaizdrowie.com.pl/content/view/239/6.
3. PN-EN ISO 7730:2006, „Ergonomia środowiska termicznego. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego”.
4. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych w środowisku pracy (DzU z 2002 r. nr 217, poz. 1833, ze zm.).
5. P.O. Fanger, „Komfort cieplny”, Arkady, Warszawa, 1974.
6. PN-EN 27243:2005, „Środowisko gorące. Wyznaczenie obciążenia termicznego działającego na człowieka podczas pracy, oparte na wskaźniku WBGT (web bulb globe temperature)”.
7. Projekt wykonawczy Hali Sportowej przy ulicy Świerczewskiego 1 w Słomnikach, Architektura pasywna Pyszczek i Stelmach Sp. J.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!