Lidský tepelný komfort je definován Americkou společností inženýrů vytápění, chlazení a klimatizace (ASHRAE) jako stav mysli, který vyjadřuje spokojenost s okolním prostředím (ASHRAE Standard 55). Udržování tepelného komfortu pro obyvatele budov nebo jiných uzavřených prostor je jedním z důležitých cílů inženýrů v oblasti vytápění, větrání a navrhování klimatizací.
Tepelná pohoda je ovlivněna vedením tepla, konvekcí, tepelným zářením a tepelnými ztrátami způsobenými odpařováním. Tepelná pohoda je zachována, když je teplo vytvářené lidským metabolismem dovoleno se rozptýlit, a tak je zachována tepelná rovnováha s okolím. Jakýkoli tepelný zisk nebo ztráta mimo toto vyvolává pocit nepohody. Již dlouho se uznává, že pocit tepla nebo chladu nezávisí pouze na teplotě vzduchu.
Význam tepelného komfortu
Tepelný komfort je velmi důležitý pro mnoho faktorů souvisejících s prací. Může ovlivnit míru rozptýlení pracovníků a následně ovlivnit jejich výkon a produktivitu práce. Je také známo, že tepelné nepohodlí vede k příznakům syndromu nemocného stavení.
Americká studie EPA BASE zjistila, že vyšší vnitřní teploty, a to i v rámci doporučeného rozsahu tepelného komfortu, zvyšují příznaky u pracovníků. Výskyt příznaků se zvyšoval mnohem více se zvýšenými vnitřními teplotami v zimě než v létě kvůli většímu rozdílu mezi vnitřními a venkovními teplotami.
Faktory určující tepelnou pohodu
Při měření rychlosti metabolismu je třeba vzít v úvahu mnoho faktorů. Každý člověk má jinou rychlost metabolismu a tato rychlost může kolísat, když člověk vykonává určité činnosti, nebo za určitých podmínek prostředí. Dokonce i lidé, kteří jsou ve stejné místnosti, mohou díky rychlosti metabolismu cítit výrazné teplotní rozdíly, což velmi ztěžuje nalezení optimální teploty pro každého v daném místě.
Během chladného počasí mohou vrstvy izolačního oděvu pomoci udržet člověka v teple. Zároveň, pokud člověk vykonává velké množství fyzické aktivity, může spousta vrstev oděvu zabránit tepelným ztrátám a případně vést k přehřátí. Obecně platí, že čím je oděv silnější, tím větší má izolační schopnosti. V závislosti na typu materiálu, ze kterého je oděv vyroben, může pohyb vzduchu a relativní vlhkost snížit izolační schopnost materiálu.
Množství oblečení se měří proti standardnímu množství, které zhruba odpovídá typickému obchodnímu obleku, košili a spodnímu prádlu. Úroveň aktivity se porovnává s tichým sezením, například ve třídě. Toto standardní množství izolace potřebné k udržení odpočívající osoby v teple v místnosti bez větru při 70 °F (21,1 °C) se rovná jednomu Clo.
Jednotky Clo lze převést na hodnotu R v jednotkách SI (K/(W/m²) nebo RSI) vynásobením Clo číslem 0,155 (1 Clo = 0,155 RSI). (V imperiálních jednotkách 1 Clo odpovídá hodnotě R 0,88 °F ft²hr/Btu.)
Lidské tělo má senzory, které jsou poměrně účinné při zjišťování teplot, ale nejsou příliš účinné při zjišťování množství relativní vlhkosti. Vysoké nebo nízké množství relativní vlhkosti může způsobit, že se vnitřní prostředí cítí extrémně suché nebo extrémně husté. To pak může hrát roli v teplotě, kterou člověk cítí, a v jeho tepelném komfortu. Doporučená úroveň vnitřní vlhkosti se pohybuje v rozmezí 30-60%.
Způsob, jak měřit množství relativní vlhkosti ve vzduchu, je použití systému suchých žárovek a teploměrů s mokrými žárovkami. Teplota suchých žárovek měří teplotu, která není v poměru k vlhkosti. To je obecně údaj o teplotě, který používáme při pohledu na předpověď počasí. Oproti tomu mokrá žárovka má omotaný mokrý hadřík, takže údaj na teploměru bere v úvahu odpařování vody ve vzduchu. Údaj z webové žárovky je vždy nižší než údaj ze suché žárovky. Rozdíl těchto dvou teplot lze použít k výpočtu relativní vlhkosti. Čím větší jsou údaje o teplotě mezi oběma teploměry, tím nižší je úroveň relativní vlhkosti.
Vlhkost kůže v různých oblastech také ovlivňuje úroveň tepelného komfortu. Vlhkost může zvýšit vlhkost na různých částech těla a vést k nepohodlí. To je obvykle lokalizováno v různých částech těla a místní limity tepelného komfortu pro místní vlhkost kůže se liší mezi různými místy kůže těla. Končetiny jsou mnohem citlivější na tepelné nepohodlí z vlhkosti než trup těla. Ačkoli místní tepelné nepohodlí může být způsobeno vlhkostí, tepelný komfort celého těla nebude ovlivněn vlhkostí některých částí.
Nedávno byly účinky nízké relativní vlhkosti a vysoké rychlosti proudění vzduchu testovány na lidech po koupání. Bylo zjištěno, že nízká relativní vlhkost způsobuje tepelné nepohodlí a také sucho a svědění. Doporučuje se udržovat relativní vlhkost vyšší v koupelně než v jiných místnostech v domě pro optimální podmínky.
Koncept tepelného komfortu úzce souvisí s tepelným stresem. Ten se pokouší předpovědět dopad slunečního záření, pohybu vzduchu a vlhkosti pro vojenský personál podstupující cvičení nebo sportovce během soutěžních utkání. Hodnoty jsou vyjádřeny jako Wet Bulb Globe Temperature nebo Discomfort Index.
Obecně platí, že lidé si při tepelném stresu nevedou dobře. Výkonnost lidí při tepelném stresu je asi o 11% nižší než jejich výkon při běžných tepelných podmínkách. Výkonnost lidí ve vztahu k tepelnému stresu se také značně liší podle typu úkolu, který právě plníte. Mezi fyziologické účinky tepelného stresu patří zvýšený průtok krve do kůže, pocení a zvýšená ventilace.
Účinky přirozeného větrání tepelného komfortu
Mnoho budov používá k řízení svého tepelného prostředí jednotku HVAC (Heating Ventilation Air Conditioning). V poslední době se v souvislosti se současnou energetickou a finanční situací používají nové metody řízení vnitřní teploty. Jednou z nich je přirozené větrání. Díky tomuto procesu může být řízená vnitřní teplota vzduchu citlivější na venkovní počasí a během sezónních měsíců se teploty uvnitř mohou stát příliš extrémními. Během letních měsíců může teplota uvnitř příliš stoupnout a způsobit potřebu otevřených oken a ventilátorů. Naopak zimní měsíce by si mohly vyžádat větší izolaci a vrstvené oblečení, které by se vypořádalo s méně než ideálními teplotami.
Ideální standard pro tepelnou pohodu lze definovat podle provozní teploty. Jedná se o průměr teploty suché žárovky a průměrné teploty sálavého záření na daném místě v místnosti. Kromě toho by měly existovat nízké rychlosti vzduchu a žádné „průvany“, malé rozdíly v teplotách sálavého záření z různých směrů v místnosti a vlhkost v pohodlném rozmezí.
Intervaly provozní teploty se lišily podle typu vnitřního místa. Liší se také podle ročního období. ASHRAE má výpisy pro navrhované teploty a průtoky vzduchu v různých typech budov a různých podmínkách prostředí. Například jedna kancelář v budově má obsazenost na metr čtvereční 0,1. V létě se doporučená teplota pohybuje mezi 23,5 a 25,5 stupni C a rychlost proudění vzduchu je 0,18 m/s. V zimě se doporučená teplota pohybuje mezi 21,0 a 23,0 stupni C s rychlostí proudění vzduchu 0,15 m/s.
Tepelná citlivost jedinců
Tepelná citlivost jedince je kvantifikována deskriptorem FS, který nabývá vyšších hodnot u jedinců s nižší tolerancí k neideálním tepelným podmínkám. Do této skupiny patří těhotné ženy, zdravotně postižení a také jedinci, jejichž věk je nižší než 14 let nebo vyšší než 60 let, což je považováno za rozpětí pro dospělé. Stávající literatura poskytuje konzistentní důkazy, že citlivost na horké a studené povrchy klesá s věkem a že dochází také k postupnému snižování účinnosti organismu v termoregularionu po dosažení věku 60 let. Je to způsobeno především pomalejší odezvou protiprakčních mechanismů v těle, které se používají k udržení základní teploty těla na ideálních hodnotách.
Mezi situační faktory patří zdravotní, psychologická, sociologická a odborná činnost osob. Zaměstnanci restaurací mají často teplotu klimatizace tak, aby vyhovovala jim samotným, spíše než odpočívajícím klientům nebo přicházejícím novým zákazníkům z teploty před budovou.
Zatímco preference tepelného komfortu mezi pohlavími se zdají být malé, existují určité rozdíly. Samice jsou mnohem častěji citlivé na teplotní podmínky. Samice jsou také častěji nesvé s pokojovou teplotou a zjistí, že teplota je příliš horká nebo příliš studená dříve než mnoho mužů. Mnohokrát budou samice preferovat vyšší teploty. Ale zatímco samice byly citlivější na teploty, samci mají tendenci být citlivější na relativní vlhkost.
Při diskuzi o tepelném komfortu lze použít dva různé modely. Jedná se o statický model a adaptivní model.
Adaptivní model konstatuje, že pro dané vnitřní prostředí existuje optimální teplota v závislosti na venkovní teplotě vzduchu. Bere v úvahu, že lidé se mohou přizpůsobit a snášet různé teploty v různých ročních obdobích. Optimální teplota pro daný čas je určena pohledem na střední venkovní teploty každého měsíce v roce. V těchto oblastech se také provádějí terénní studie, aby se zjistilo, co by většina lidí preferovala jako svou teplotu v různých ročních obdobích uvnitř budov.
Na druhé straně statický model uvádí, že teplota uvnitř budov by se neměla měnit tak, jak se mění roční období. Spíše by měla být celoročně nastavena jedna teplota. Tím se zaujímá pasivnější postoj, že se lidé nemusí přizpůsobovat různým teplotám, protože bude vždy konstantní.
Tepelná pohoda v různých regionech
V různých oblastech světa se potřeby tepelného komfortu mohou lišit v závislosti na klimatu. V Číně jsou horká vlhká léta a chladné zimy, což způsobuje potřebu účinného tepelného komfortu. Úspora energie ve vztahu k tepelnému komfortu se v Číně v posledních několika desetiletích stala velkým problémem kvůli rychlému hospodářskému a populačnímu růstu. Výzkumníci se nyní zabývají způsoby, jak vytápět a chladit budovy v Číně za nižší náklady a také s menšími škodami na životním prostředí.
V tropických oblastech Brazílie způsobuje urbanizace jev zvaný městské tepelné ostrovy (UHI). Jedná se o městské oblasti, které kvůli velkému přílivu lidí stouply nad hranice tepelného komfortu a v období dešťů klesají pouze do pohodlných mezí. UHI jsou způsobeny povrchovými a atmosférickými změnami způsobenými přelidněním lidí v již tak horkém podnebí.
V horké vlhké oblasti Saúdské Arábie je otázka tepelné pohody důležitá v mešitách, kam se lidé chodí modlit. Jsou to velmi velké otevřené budovy, které jsou používány pouze přerušovaně, což ztěžuje jejich správné větrání. Velká velikost vyžaduje velké množství větrání, ale to vyžaduje mnoho energie, protože budovy jsou používány pouze na krátkou dobu. Některé mešity mají problém s tím, že je jim příliš velká zima z toho, že jejich systémy HVAC běží příliš dlouho, a jiné zůstávají příliš horké. Do hry vstupuje také efekt komína vzhledem k jejich velké velikosti a vytváří velkou vrstvu horkého vzduchu nad lidmi v mešitě. Nové návrhy umístily ventilační systémy níže v budovách, aby zajistily větší regulaci teploty na úrovni země. Rovněž jsou přijímány nové monitorovací kroky ke zlepšení účinnosti.
Tepelná pohoda zvířat
Ačkoli je tepelná pohoda lidí hlavním zaměřením studií tepelné pohody, musí být uspokojeny i potřeby hospodářských zvířat pro lepší život a výrobu. Oddělení živočišné výroby v Itálii vypracovalo studii o bahnicích, která testovala funkci bachoru a stravitelnost bahnic chronicky vystavených horkému prostředí. Tyto dvě tělesné funkce byly sníženy horkými teplotami, které nabízely poznatek, že úroveň tepelné pohody je důležitá pro produktivitu hospodářských zvířat.
Tyto faktory byly experimentálně zkoumány v 70. letech 20. století. Mnohé z těchto studií vedly k vývoji a zpřesnění normy ASHRAE Standard 55 a byly provedeny na Kansaské státní univerzitě Olem Fangerem a dalšími. Bylo zjištěno, že vnímaná pohoda je komplexní interakcí těchto proměnných. Bylo zjištěno, že většina jednotlivců by byla spokojena s ideálním souborem hodnot. Protože se rozsah hodnot postupně odchyloval od ideálu, bylo spokojeno stále méně lidí. Toto zjištění by mohlo být statisticky vyjádřeno jako procento jedince, který vyjádřil spokojenost s podmínkami pohody a předpokládaným průměrným hlasováním (PMV)
Tento výzkum je aplikován na vytvoření programů simulace energie z budov (BES) pro obytné budovy. Obytné budovy se mohou mnohem více lišit v tepelném komfortu než veřejné a komerční budovy. Je to dáno jejich menší velikostí, rozdíly v nošení oblečení a různým využitím každé místnosti. Hlavní místnosti zájmu jsou koupelny a ložnice. Koupelny musí mít teplotu příjemnou pro člověka s oblečením nebo bez něj. Ložnice jsou důležité, protože potřebují pojmout různé úrovně oblečení a také různou metabolickou rychlost lidí spících nebo bdících.
Výzkum tepelné pohody v oděvech v současné době provádí armáda. Výzkum nových oděvů s ventilací vzduchu má zlepšit odpařovací chlazení ve vojenském prostředí. Některé modely jsou vytvářeny a testovány na základě množství chlazení, které poskytují.