W ostatnich latach obserwuje się rozwój technik CFD w modelowaniu przepływu powietrza w budynkach i poszczególnych pomieszczeniach. W programach CFD można wykonać obliczania bardzo skomplikowanych układów. Dzięki temu istnieje możliwość modelowania pomieszczeń o skomplikowanej geometrii, uwzględniając w nich ludzi, wyposażenie wewnętrzne, źródła ciepła konwekcyjnego i promienistego, wewnętrzne źródła ciepła, wentylację naturalną i mechaniczną oraz wpływ promieniowania słonecznego.

W programach CFD istnieje możliwość obliczania bardzo skomplikowanych układów m.in.:
- o różnej strukturze i gęstości siatki dyskretyzacji,
- różnych modeli turbulencji w zależności od rodzaju przepływu,
- różnych sposobów zadawania cieplnych warunków brzegowych na powierzchniach,
- uwzględniających promieniowanie cieplne ze ścian łącznie z promieniowaniem wzajemnym,
- sprzężonych z programami symulującymi oddziaływanie promieniowania słonecznego na elementy znajdujące się w pomieszczeniu,
- sprzężonych z modelami cieplnymi w budynku.

Dysponując tak rozbudowanym narzędziem jakim jest CFD, rozpoczęto prace również nad konstrukcją wirtualnych manekinów termicznych, które mogą być stosowane do symulacji wpływu człowieka na rozpływ i parametry powietrza w pomieszczeniach, a także do oceny komfortu cieplnego użytkowników pomieszczeń. W niniejszym artykule przedstawione zostaną informacje nt. dotychczas opracowanych wirtualnych manekinów termicznych, a także nowoopracowanego, zaawansowanego manekina wirtualnego symulującego budowę układu termoregulacji człowieka.

Rys. 1. Schemat przesyłu informacji w systemie pasywnym [2]

Manekiny termiczne wykorzystywane są w wentylacji i klimatyzacji do:
- oceny komfortu cieplnego ludzi eksponowanych na warunki środowiska wewnętrznego kształtowane przez urządzenia HVAC,
- badania rozpływu powietrza nawiewanego do strefy przebywania ludzi,
- oceny nowych rozwiązań dotyczących indywidualnych systemów wentylacji,
- badania rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń wydychanych przez ludzi,
- oceny procesów wymiany ciepła pomiędzy człowiekiem a otoczeniem itp. [1].

Dotychczas rozwój manekinów termicznych dotyczył jedynie rzeczywistych urządzeń, które pracowały głównie w laboratoriach badawczych. Zaletą wykorzystania tego rodzaju urządzeń jest możliwość sprawdzenia w warunkach rzeczywistych działania danego elementu (np. nawiewnika), wadą głównie jest ich wysoki koszt prowadzenia tego rodzaju badań, a także brak możliwości dokładnego odwzorowania funkcjonowania organizmu człowieka pod kątem cieplnym, co może wpływać na dokładność uzyskiwanych wyników.

Działanie manekinów termicznych (...)

Zaawansowany manekin wirtualny
W CIOP-PIB w latach 2008-2010 realizowany był projekt pn. Model wirtualnego manekina do wykorzystywania przy kształtowaniu własności termicznych odzieży stosowanej w zimnych i gorących środowiskach, którego celem było właśnie stworzenie wirtualnego manekina termicznego, który umożliwiałby prowadzenie obliczeń wymiany ciepła pomiędzy człowiekiem a otoczeniem przy zachowaniu maksymalnie możliwego odwzorowania zarówno kształtu człowieka, jak i temperatury na jego powierzchni. Manekina opracowano przy pomocy programu Fluent, w którym wprowadzono zeskanowaną powierzchnię dorosłego mężczyzny o wzroście 1,85 m i masie ciała 82 kg (rys. 3). Następnie powierzchnia ta została podzielona na odpowiednią ilość warstw i segmentów (o zmiennej ilości ciepła występującej w każdym segmencie), a cały manekin został wpisany w przestrzeń pomieszczenia (rys. 4).

Rys. 3. Powierzchnia zewnętrzna wirtualnego manekina

Weryfikacja zaawansowanego wirtualnego manekina odbywała się nad podstawie wyników badań przeprowadzonych z udziałem ochotników – mężczyzn w wieku 20-25 lat. Weryfikacja nagiego manekina odbywała się na podstawie wyników badań dotyczących rozkładu temperatury na powierzchni skóry człowieka [11] – ochotników, eksponowanych na środowisko o temperaturze w zakresie 15÷35°C. Na rysunku 5 przedstawiono rozkład temperatury na powierzchni manekina w zadanych warunkach temperatury w otoczeniu.(...)

Podsumowanie
W artykule przedstawiono informacje nt dotychczas opracowywanych manekinów wirtualnych, a także nt jedynego w Polsce wirtualnego manekina termicznego, którego działanie odwzorowuje oddziaływanie człowieka na przepływ powietrza w pomieszczeniu. Opracowany manekin termiczny umożliwia zarówno odwzorowanie przepływu powietrza w otoczeniu człowieka, jak również poprzez zaimplementowany dodatkowy moduł odczytu ogólnego i miejscowego komfortu cieplnego, może być wykorzystany do prognozowania odczuć cieplnych użytkowników pomieszczenia. Wirtualny manekin może być zatem stosowany w obliczeniach:
- przepływu powietrza w pomieszczeniu,
- badaniach środowiska tworzącego się dookoła człowieka przy uwzględnieniu napływu powietrza z miejscowych nawiewników (np. wentylacji indywidualnej),
- ocenie rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń generowanych przez poszczególne osoby, zarówno w przestrzeni pomieszczenia, jak i w migracji wirusów pomiędzy pracownikami.

Z tej przyczyny wprowadzenie wirtualnego manekina do praktyki projektowania systemów wentylacji i klimatyzacji może przyczynić się do tworzenia środowiska bardziej przyjaznego dla użytkowników, a jednocześnie obniżenia kosztów eksploatacji budynków, poprzez szczegółowe zaplanowanie ilości i parametrów dostarczanego do pomieszczeń powietrza oraz umiejscowienia elementów nawiewnych.

LITERATURA
[1] BOGDAN A.: Zastosowanie manekinów termicznych w wentylacji i klimatyzacji. Chłodnictwo i Klimatyzacja, 1-2/2008. s. 104-105.
[2] LOTENS W.: Heat transfer from humans wearing clothing. Rozprawa doktorska. Univeristy of Delft, Holandia, 1993.
[3] GAN G.: Numerical Method for a full Assessment of Indoor Thermal Comfort. International journal of indoor air quality and climate, Munksgaard, vol 4, no 3, pp 154–168. 1994.
[4] MURAKAMI S., KATO S. & ZENG J.: Numerical Simulation of Contaminant Distribution Around a Modelled Human Body: CFD Study on Computational Thermal Manikin. Part II. ASHRAE Transactions, ashrae.org, vol 104 part 2, pp 226–233. 1998.
[5] NILSSON H.: Comfort Climate Evaluation with Thermal Manikin Methods and Computer Simulation Models. Rozprawa doktorska. Department of Civil and Architectural Engineering Royal Institute of Technology Sweden. Department of Technology and Built Environment University of Gävle. Sweden, 2004.
[6] DEEVY M., SINAI Y., EVERITT P., VOIGT L., GOBEAU N.: Modelling the effect of an occupant on displacement ventilation with computational fluid dynamics. Energy and Buildings 40. pp.255–264. 2008.
[7] KILIC M., SEVILGEN G.: Modelling airflow, heat transfer and moisture transport around a standing human body by computational fluid dynamics. International Communications in Heat and Mass Transfer 35. pp.1159–1164. 2008.
[8] GAO N., NIU J.: CFD study on micro-environment around human body and personalized ventilation. Building and Environment 39. pp.795–805. 2008.
[9] BOGDAN A., CHLUDZIŃSKA M.: Ocena porównawcza strumieni konwekcyjnych kształtujących się nad manekinem termicznym oraz człowiekiem. Materiały konferencyjne XII Międzynarodowej Konferencji Air Conditioning, Air Protection & District Heating. s.69–74. Szklarska Poręba, 2008.
[10] BOGDAN A., CHOJNACKA A.: Stosowanie manekinów termicznych do symulacji wpływu człowieka na środowisko cieplne w pomieszczeniach. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja, 10/2010. s.388–392.
[11] BOGDAN A.: Zmiana temperatury skóry jako parametr określający komfort cieplny człowieka. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja, 3/2010. s.107–109.

*** Publikacja opracowana na podstawie wyników uzyskanych w ramach I etapu programu wieloletniego pn. „Poprawa bezpieczeństwa i warunków pracy” finansowanego w latach 2008-2010 przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego / Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Główny koordynator: Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy.

AUTOR:dr inż. Anna BOGDAN
– Pracownia Obciążeń Termicznych, CIOP-PIB