Ihmismallilla parempaan lämpöviihtyvyyteen Sisäilmastoseminaari 2013 Tiimipäällikkö TkT Riikka Holopainen Tiimipäällikkö, TkT Riikka Holopainen VTT
2 Tutkimuksen taustaa Energiatehokkaissa matalaenergia-, passiivi- ja nollaenergiataloissa merkittävästi pienempi lämmitystehontarve kuin perinteisissä rakennuksissa. perinteisiä rakenne- ja talotekniikkaratkaisuiden suunnittelukriteerejä tarkistettava lämpöviihtyvyyden varmistamiseksi Lämpöviihtyvyyden laskentamenetelmänä käytetty Fangerin PMV-menetelmä ei huomioi ihmisen omaa lämmönsäätelyjärjestelmää j Aikaisempien tutkimusten mukaan PMV-menetelmä progressiivisesti yliarvioi koettua lämpötilaa lämpimissä olosuhteissa ja aliarvioi sitä viileissä olosuhteissa. Lämpöviihtyvyyden arvioimisen muuttuvissa olosuhteissa tulisi huomioida ihmisen luontainen taipumus sopeutua muuttuviin ympäristöoloihin lämmönsäätelyjärjestelmän avulla
3 Ihmisen lämmönsäätelyjärjestelmä Ihmiskeho tuottaa lämpöä aktiivisuustasosta riippuen n. 75 W - 1 000 W Sisäelinten lämpötilan pysyttävä lähellä 37.0 C, joten ylimääräinen lämpö on siirrettävä ympäristöön pääasiassa lämpö siirtyy ihon kautta (85 % normiolosuhteissa) Lämmönsäätelyjärjestelmän tarkoitus on pitää sisäelinten lämpötila mahdollisimman tasaisena
4 Lämmönsäätelyjärjestelmä koostuu termoreseptoreista ja hypotalamuksesta Termoreseptorit sijaitsevat eri kohdissa kehoa lähettäen signaaleja paikallisesta lämpötilasta ja sen muutosnopeudesta aivoissa sijaitsevaan hypotalamukseen Hypotalamus reagoi signaaleihin lämmönsäätelymekanismien avulla Kuuma signaali: lämmönluovutuksen maksimointi lisäämällä ihon pintaverenkiertoa ja hikoilemalla Kylmä signaali: lämmönluovutuksen minimointi vähentämällä ihon pintaverenkiertoa ja lämmöntuoton lisääminen vilunväristyksillä
5 Esimerkki adaptoitumisesta ympäröiviin olosuhteisiin lämmönsäätelyjärjestelmän avulla Henkilö laittaa toisen kätensä lämpimällä vedellä täytettyyn astiaan ja toisen käden kylmällä vedellä täytettyyn astiaan. Hetken kuluttua hän siirtää molemmat kädet haalealla vedellä täytettyyn astiaan. Lämpimässä vedessä ollut käsi tuntee haalean veden kl kylmänä ääja kl kylmässä ä vedessä ollut käsi lämpimänä. John Locke, 1690, Essay Concerning Human Understanding
6 Terminen ihmismalli Termisillä ihmismalleilla voidaan mallintaa ihmisen lämpöfysiologista ja -fysikaalista toimintaa ja lämmönsäätelyjärjestelmää Sadan viime vuoden aikana kehitetty kymmeniä erilaisia termisiä ihmismalleja, mutta mallien hyödyntäminen käytännön sovelluksissa ollut vähäistä niiden monimutkaisuuden vuoksi VTT:n kehittämä Human Thermal Model (HTM) on ensimmäinen sovellus, jossa terminen ihmismalli i on liitetty tt dynaamiseen rakennuksen energialaskentaohjelmaan
7 Laskentatapa t - VTT Human Thermal Model Rakennuksen energialaskentaohjelma Human Thermal Model Anatomia (Passive Model) Fysiologia (Control Model) Tilamalli Lämmönsiirron laskenta Virtauslaskenta Rakennuksen tietomalli Kudosten lämpötilat Zhang Hui (2003) Lämpöaistimus Lämpöviihtyvyys Tuottavuus
8 Human Thermal Model Anatomia (Passive Model) 16 ruumiinosaa jaettuna kudoskerroksiin (luu, lihakset, sisäelimet, keuhkot, rasva, iho) Fysiologia (Control Model) Verenkierto Aineenvaihdunta ja vilunväristykset Hikoilu Vuorovaikutus ympäröivän ä tilan kanssa Evaporatiivinen, konvektiivinen ja johtumislämmönsiirto ilmaan Säteilylämmönsiirto ympäröivien pintojen kanssa
9 Ihmisen aistimien lämpö- olosuhteiden reunaehdot Ulkoiset parametrit Operatiivinen lämpötila Sisäilman liike Ilman suhteellinen kosteus Ilman lämpötila Pintojen lämpötilat Sisäiset parametrit Metabolia Vaatetus Anatomia (kudosjakauma) k Aktiivisuus
10 Ihmisen, vaatetuksen ja tarkasteltavan ympäristön laskentaverkko Vaatetus Huoneilma Tilan rakenteet Ihmisen kudos
11 Esimerkki kudosten lämmönsiirron laskennan todentamisesta Munirin testijärjestely jossa koehenkilöt siirtyvät erilämpöisten tilojen välillä Kaikki lasketut kehon osat (kasvot, lantio, käsivarsi, käsi, reisi, pohje, jalkaterä): Keskimääräinen absoluuttinen lämpötilaero mitattujen ja laskettujen lämpötilojen välillä 0.3 ºC Keskimääräinen ä e suhteellinen e lämpötilaero mitattujen ja laskettujen lämpötilojen välillä 1.45 %
12 Esimerkki lämpöaistimuksen laskennan todentamisesta Nevins et al. (1966) mitannut koehenkilöiden lämpöaistimusta eri lämpöisissä tiloissa (altistusaika 3 h, vaatetuksen lämmöneristävyys 0.52 clo, aktiivisuustaso 1.0 Met)
13 Johtopäätökset Osana rakennuksen energialaskentaohjelmaa HTM-mallilla on mahdollista vertailla aiempaa tarkemmin ja helpommin eri rakennevaihtoehtojen ja talotekniikkajärjestelmien t j t l i vaikutusta t käyttäjän lämpöviihtyvyyteen t erilaisten ulkoisten (rakenteiden lämmöneristävyys, lämmitys- /jäähdytysjärjestelmä) ja sisäisten (vaatetus, aineenvaihdunta) reunaehtojen vaikutusta lämpöaistimukseen ja -viihtyvyyteen on mahdollista vertailla numeerisesti HTM-mallin avulla rakennuksen käyttäjän todellista lämpöviihtyvyyttä voidaan pitää lähtökohtana suunniteltaessa laadukkaampia sisäolosuhteita sekä uudisrakennuksiin että korjauskohteisiin
14 VTT creates business from technology