Тхермал Екцхангес
Људско тело размењује топлоту са околином на различите начине: проводљивост преко површина у контакту са њим, конвекција и испаравање са околним ваздухом и зрачење са суседним површинама.
Кондукција
Кондукција је пренос топлоте између два чврста тела у контакту. Такве размене се примећују између коже и одеће, обуће, тачака притиска (седишта, ручке), алата и тако даље. У пракси, у математичком прорачуну топлотног биланса, овај топлотни ток кондукцијом се индиректно апроксимира као величина једнака топлотном току конвекцијом и зрачењем који би се десио да ове површине нису у контакту са другим материјалима.
Конвекција
Конвекција је пренос топлоте између коже и ваздуха који је окружује. Ако је температура коже, tsk, у јединицама степени Целзијуса (°Ц), већа је од температуре ваздуха (ta), ваздух у контакту са кожом се загрева и последично се подиже. Циркулација ваздуха, позната као природна конвекција, се тако успоставља на површини тела. Ова размена постаје већа ако околни ваздух пролази преко коже одређеном брзином: конвекција постаје присилна. Топлотни ток који се размењује конвекцијом, C, у јединицама вати по квадратном метру (В/м2), може се проценити према:
C = hc FцлЦ (tsk - ta)
где hc је коефицијент конвекције (В/°Ц м2), што је функција разлике између tsk ta у случају природне конвекције и брзине ваздуха Va (у м/с) у принудној конвекцији; FцлЦ је фактор којим одећа смањује конвекцијску размену топлоте.
Зрачење
Свако тело емитује електромагнетно зрачење чији је интензитет функција четвртог степена његове апсолутне температуре T (у степенима Келвина—К). Кожа, чија температура може бити између 30 и 35°Ц (303 и 308К), емитује такво зрачење које је у инфрацрвеној зони. Штавише, прима зрачење које емитују суседне површине. Топлотни ток размењен зрачењем, R (у В/м2), између тела и његове околине може се описати следећим изразом:
где је:
с је универзална константа зрачења (5.67 × 10-8 В/м2 K4)
е је емисивност коже, која је за инфрацрвено зрачење једнака 0.97 и независно од таласне дужине, а за сунчево зрачење је око 0.5 за кожу белог субјекта и 0.85 за кожу црног субјекта.
AR/AD је део површине тела који учествује у разменама, а који је реда 0.66, 0.70 или 0.77, у зависности од тога да ли субјект чучи, седи или стоји
FцлР је фактор којим одећа смањује размену топлоте зрачења
Tsk (у К) је средња температура коже
Tr (у К) је средња температура зрачења околине — то јест, уједначена температура црне мат сфере великог пречника која би окруживала субјект и са њим би размењивала исту количину топлоте као и стварно окружење.
Овај израз се може заменити поједностављеном једначином истог типа као и за размену конвекцијом:
Р = хr (AR/AD) ФцлР (tsk - тr)
где hr је коефицијент размене зрачењем (В/°Ц м2).
Испаравање
Свака влажна површина на себи има слој ваздуха засићен воденом паром. Ако сама атмосфера није засићена, пара дифундује из овог слоја према атмосфери. Слој затим тежи да се регенерише повлачењем топлоте испаравања (0.674 ват сата по граму воде) на влажној површини, која се хлади. Ако је кожа у потпуности прекривена знојем, испаравање је максимално (EМак) и зависи само од услова околине, према следећем изразу:
EМак = хe Fпцл (Pск,с - Пa)
где је:
he је коефицијент размене испаравањем (В/м2кПа)
Pск,с је засићени притисак водене паре на температури коже (изражен у кПа)
Pa је амбијентални парцијални притисак водене паре (изражен у кПа)
Fпцл је фактор смањења размене испаравањем услед одеће.
Топлотна изолација одеће
Корекциони фактор функционише у прорачуну топлотног тока конвекцијом, зрачењем и испаравањем како би се узео у обзир одећа. У случају памучне одеће, два фактора смањења FцлЦ FцлР може одредити:
Fcl = 1/(1+(хc+hr)Icl)
где је:
hc је коефицијент размене конвекцијом
hr је коефицијент размене зрачењем
Icl је ефективна топлотна изолација (м2/В) одеће.
Што се тиче смањења преноса топлоте испаравањем, фактор корекције Fпцл је дато следећим изразом:
Fпцл = 1/(1+2.22hc Icl)
Топлотна изолација одеће Icl изражава се у м2/В или инц. Изолација од 1 цло одговара 0.155 м2/В и обезбеђује се, на пример, нормалном градском одећом (кошуља, кравата, панталоне, сако, итд.).
ИСО стандард 9920 (1994) даје топлотну изолацију коју обезбеђују различите комбинације одеће. У случају посебне заштитне одеће која рефлектује топлоту или ограничава пропустљивост паре у условима излагања топлоти, или апсорбује и изолује у условима хладног стреса, морају се користити индивидуални фактори корекције. До данас, међутим, проблем је и даље слабо схваћен, а математичка предвиђања остају врло приближна.
Оцена основних параметара радне ситуације
Као што се види горе, топлотна размена конвекцијом, зрачењем и испаравањем је функција четири климатска параметра — температуре ваздуха ta у °Ц, влажност ваздуха изражена парцијалним притиском паре Pa у кПа, средња температура зрачења tr у °Ц, и брзина ваздуха Va у м/с. Уређаји и методе за мерење ових физичких параметара животне средине су предмет ИСО стандарда 7726 (1985), који описује различите типове сензора који се користе, прецизира њихов опсег мерења и њихову тачност и препоручује одређене мерне процедуре. Овај одељак сумира део података тог стандарда, са посебним освртом на услове коришћења најчешћих уређаја и апарата.
Температура ваздуха
Температура ваздуха (ta) мора се мерити независно од топлотног зрачења; тачност мерења треба да буде ±0.2ºЦ у опсегу од 10 до 30ºЦ, и ±0.5 °Ц ван тог опсега.
На тржишту постоје бројне врсте термометара. Најчешћи су живини термометри. Њихова предност је тачност, под условом да су оригинално правилно калибрисани. Њихови главни недостаци су дуго време одзива и недостатак могућности аутоматског снимања. С друге стране, електронски термометри углавном имају врло кратко време одзива (5 с до 1 мин), али могу имати проблема са калибрацијом.
Без обзира на тип термометра, сензор мора бити заштићен од зрачења. Ово је генерално обезбеђено шупљим цилиндром од сјајног алуминијума који окружује сензор. Такву заштиту обезбеђује психрометар, који ће бити поменут у следећем одељку.
Парцијални притисак водене паре
Влажност ваздуха се може окарактерисати на четири различита начина:
1. тхе температура тачке росе: температура до које се ваздух мора охладити да би постао засићен влажношћу (td, °Ц)
2. тхе парцијални притисак водене паре: удео атмосферског притиска услед водене паре (Pa, кПа)
3. релативна влажност (РХ), што је дато изразом:
RH = КСНУМКС·Пa/PС,та
где је П.С,та је притисак засићене паре повезан са температуром ваздуха
4. тхе температура влажног термометра (tw), што је најнижа температура коју постиже мокри рукав заштићен од зрачења и вентилиран околним ваздухом брзином већом од 2 м/с.
Све ове вредности су математички повезане.
Притисак засићене водене паре PС,т на било којој температури t даје:
док је парцијални притисак водене паре повезан са температуром:
Pa = ПС,тв - (тa - тw)/15
где PС,тв је притисак засићене паре на температури влажног термометра.
Психрометријски дијаграм (слика 1) омогућава комбиновање свих ових вредности. Садржи:
Слика 1. Психрометријски дијаграм.
- у y оса, скала парцијалног притиска водене паре Pa, изражено у кПа
- у x оса, скала температуре ваздуха
- криве сталне релативне влажности
- косе праве линије константне температуре влажног термометра.
- Параметри влажности који се најчешће користе у пракси су:
- релативна влажност, мерена помоћу хигрометара или више специјализованих електронских уређаја
- температура по влажном термометру, мерена помоћу психрометра; из овога се изводи парцијални притисак водене паре, који је параметар који се највише користи у анализи топлотне равнотеже
Опсег мерења и препоручена тачност су 0.5 до 6 кПа и ±0.15 кПа. За мерење температуре влажног термометра, опсег се протеже од 0 до 36ºЦ, са тачношћу идентичном оној за температуру ваздуха. Што се тиче хигрометара за мерење релативне влажности, опсег се протеже од 0 до 100%, са тачношћу од ±5%.
Средња температура зрачења
Средња температура зрачења (tr) је претходно дефинисано; може се одредити на три различита начина:
1. од температуре мерене термометром црне кугле
2. од равни радијантних температура мерених дуж три управне осе
3. прорачуном, интегришући ефекте различитих извора зрачења.
Овде ће бити приказана само прва техника.
Термометар црне кугле састоји се од термичке сонде, чији је осетљиви елемент смештен у центар потпуно затворене сфере, направљене од метала који је добар проводник топлоте (бакар) и обојеног мат црном бојом тако да има коефицијент апсорпције у инфрацрвеној зони близу 1.0. Сфера је постављена на радном месту и подвргнута размени конвекцијом и зрачењем. Температура глобуса (tg) тада зависи од средње температуре зрачења, температуре ваздуха и брзине ваздуха.
За стандардни црни глобус пречника 15 цм, средња температура зрачења може се израчунати из температуре глобуса на основу следећег израза:
У пракси, мора се нагласити потреба да се емисивност глобуса одржи близу 1.0 пажљивим префарбавањем у мат црно.
Главно ограничење овог типа глобуса је његово дуго време одзива (од 20 до 30 минута, у зависности од типа глобуса који се користи и услова околине). Мерење је валидно само ако су услови зрачења константни током овог временског периода, а то није увек случај у индустријском окружењу; мерење је тада нетачно. Ова времена одзива се односе на кугле пречника 15 цм, користећи обичне живине термометре. Они су краћи ако се користе сензори мањег топлотног капацитета или ако се смањи пречник глобуса. Према томе, горња једначина мора бити модификована да би се узела у обзир ова разлика у пречнику.
ВБГТ индекс директно користи температуру црне кугле. Тада је неопходно користити глобус пречника 15 цм. С друге стране, други индекси користе средњу температуру зрачења. Затим се може изабрати мањи глобус да би се смањило време одзива, под условом да се горња једначина модификује да се узме у обзир. ИСО стандард 7726 (1985) дозвољава тачност од ±2ºЦ у мерењу tr између 10 и 40ºЦ, и ±5ºЦ изван тог опсега.
Брзина ваздуха
Брзина ваздуха се мора мерити без обзира на смер струјања ваздуха. У супротном, мерење се мора обавити у три управне осе (к, и z) и глобална брзина израчуната векторским сабирањем:
Опсег мерења које препоручује ИСО стандард 7726 протеже се од 0.05 до 2 м/с. Потребна тачност је 5%. Требало би да се мери као просечна вредност за 1 или 3 минута.
Постоје две категорије уређаја за мерење брзине ваздуха: анемометри са лопатицама и термални анемометри.
Ване анемометерс
Мерење се врши пребројавањем броја обртаја лопатица током одређеног временског периода. На овај начин се средња брзина током тог временског периода добија на дисконтинуални начин. Ови анемометри имају два главна недостатка:
- Веома су усмерени и морају бити оријентисани стриктно у правцу струјања ваздуха. Када је ово нејасно или непознато, мерења се морају извршити у три правца под правим углом.
- Опсег мерења се протеже од око 0.3 м/с до 10 м/с. Ово ограничење на мале брзине је важно када је, на пример, у питању анализа ситуације топлотног комфора где се генерално препоручује да се брзина од 0.25 м/с не прекорачи. Иако опсег мерења може да се протеже преко 10 м/с, он једва да пада испод 0.3 или чак 0.5 м/с, што у великој мери ограничава могућности коришћења у окружењима близу комфора, где су максималне дозвољене брзине 0.5 или чак 0.25 м/с. с.
Анемометри са врућом жицом
Ови уређаји су у ствари комплементарни анемометрима са лопатицама у смислу да се њихов динамички опсег у суштини протеже од 0 до 1 м/с. То су уређаји који дају тренутну процену брзине у једној тачки простора: стога је неопходно користити средње вредности у времену и простору. Ови уређаји су такође често веома усмерени, а горе наведене напомене такође важе. Коначно, мерење је исправно тек од тренутка када температура уређаја достигне температуру околине коју треба проценити.