W 2011 r. w CIOP-PIB została zakończona inwestycja aparaturowa finansowana z Funduszu Nauki i Technologii Polskiej, której celem było doposażenie laboratorium Pracowni Obciążeń Termicznych oraz stworzenie innowacyjnego laboratorium do badań środowiska w pomieszczeniach.

W ramach inwestycji skompletowano unikalną aparaturę badawczą, która wraz ze sprzętem dostępnym wcześniej w Zakładzie Ergonomii będzie wykorzystywana w badaniach interakcji cieplnych między człowiekiem a otoczeniem, do obiektywnej oceny środowiska tworzonego przez urządzenia wentylacyjno-klimatyzacyjne na organizm człowieka i jego produktywność, a także do subiektywnej oceny odczuć użytkowników pomieszczeń.

W niniejszej publikacji przedstawiono informacje nt. bazy badawczej Pracowni Obciążeń Termicznych oraz możliwości jej wykorzystania.

Aparatura badawcza

Rys. 1. Wnętrze komory klimatycznej do badań
w środowisku zimnym, umiarkowanym i gorącym

Rys. 2. Wnętrze komory klimatycznej do badań
w środowisku umiarkowanym (pomieszczenia biurowe)

Rys. 3. Manekin termiczny Diana podczas badania komfortu
cieplnego przy zastosowaniu układu wentylacji indywidualnej

W celu umożliwienia dokładnego badania interakcji cieplnych pomiędzy człowiekiem a otoczeniem, jak również wpływu wielu czynników występujących jednocześnie na stanowiskach pracy, laboratorium Pracowni Obciążeń Termicznych jest wyposażone w następującą aparaturę badawczą:

Komory klimatyczne, z których jedna dedykowana jest do oceny oddziaływania środowiska zimnego, umiarkowanego i gorącego na organizm człowieka (zakres temperatury od -40 do +70°C, prędkość powietrza 0,5÷4,0 m/s, wilgotność względna powietrza 10÷90% (rys. 1.), druga natomiast (rys. 2.) dostosowana jest do badań środowiska umiarkowanego, w szczególności do testowania rozpływu powietrza różnego rodzaju nawiewników i badań z udziałem ochotników (zakres temperatury od +15 do +35°C, prędkość powietrza 0,1÷1,5 m/s, wilgotność względna powietrza 20÷80%). Komory klimatyczne wykorzystywane są do odwzorowania parametrów środowiska przebywania użytkowników. Dodatkowo w celu zbadania wpływu wielu czynników występujących na stanowiskach pracy jednocześnie (np. środowisko cieplne i hałas) w komorach klimatycznych często umieszczane są urządzenia odwzorowujące środowisko pracy (głośniki, odpowiednie oświetlenie, odpowiedni wystrój pomieszczenia).Manekiny termiczne, umożliwiające badanie wymiany ciepła pomiędzy człowiekiem a otoczeniem, bez potrzeby prowadzenia badań z udziałem ludzi. Laboratorium wyposażone jest w 2 rzeczywiste manekiny termiczne, 1 głowę termiczną oraz 1 wirtualnego manekina termicznego:

Diana (rys. 3.) jest „duńskim” typem manekina termicznego, wyprodukowanym przez firmę PT TEKNIK. Diana to 16 segmentowy manekin o kształcie powierzchni kobiety, umożliwiający symulację wymiany ciepła w następujących trybach: stała temperatura powierzchni, stała moc dostarczana do manekina, zmienna temperatura i moc dostarczana do segmentów w zależności od warunków w otoczeniu oraz odczytywanie parametrów otoczenia.

Newton (rys. 4.) jest najnowszym rodzajem manekina termicznego, wyprodukowanym przez firmę Measurement Technology Northwest (USA). Newton to 34 segmentowy manekin termiczny o kształcie powierzchni mężczyzny, wyposażony w system symulacji: pocenia, poruszania się, oddychania oraz oprogramowanie umożliwiające symulację działania układu termoregulacji wraz z zestawem czujników, służących do oceny ciężaru poszczególnych elementów odzieży na organizm człowieka. Newton umożliwia pracę w trybach: stała temperatura segmentów, stała moc doprowadzana do segmentów, zmienna temperatura i moc dostarczana do segmentów w zależności od warunków w otoczeniu oraz odczytywanie temperatury środowiska. W procesie oddychania możliwa jest zmiana częstotliwości oddychania, temperatury i wilgotności wydychanego powietrza.

Thomas (rys. 5.) wyprodukowany przez firmę PT TEKNIK jest 6 segmentową głową termiczną, wyposażoną w system służący do symulacji oddychania. Umożliwia pracę w systemie: stała temperatura na powierzchni segmentów, stała moc lub odczytywanie parametrów otoczenia.

Rys. 6. Powierzchnia zewnętrzna wirtualnego manekina
termicznego

Bogdan (rys. 6.) jest 23 segmentowym wirtualnym manekinem cieplnym o kształcie ciała rzeczywistego mężczyzny. Manekin opracowany jest w programie FLUENT. Manekin wyposażony jest w oprogramowanie służące do odwzorowania działania układu termoregulacji człowieka poprzez zmianę temperatury powierzchni. Bogdan umożliwia również odczytywanie odczuć cieplnych lokalnych i ogólnych w danych warunkach środowiska. Manekiny termiczne są wykorzystywane do badania procesów wymiany ciepła pomiędzy człowiekiem a otoczeniem z uwzględnieniem wszystkich parametrów, zarówno indywidualnych, jak i środowiskowych, wpływających na dyskomfort/obciążenie cieplne człowieka. Za pomocą manekinów można również określić wpływ poszczególnych parametrów otaczającego środowiska na odczucia cieplne człowieka. Manekiny te są również stosowane do oceny wpływu człowieka na parametry powietrza w otoczeniu, dzięki czemu możliwe jest projektowanie lokalnych układów wentylacji i klimatyzacji zapewniających odpowiednie warunki w pomieszczeniach, w których przebywają osoby szczególnie wrażliwe na środowisko wewnętrzne (np. szpitale). Ponad to wszystkie manekiny służą do oceny izolacyjności cieplnej zestawów odzieży lub jej elementów, dzięki czemu możliwe jest zarówno dokładne określenie parametrów cieplnych odzieży z uwzględnieniem wpływu pocenia, poruszania się czy termoregulacji człowieka.

Rys. 4. Manekin termiczny Newotn	Rys. 5. Głowa termiczna Thomas

Dopplerowski anemometr laserowy firmy Dantek Dynamics (UK) model Floweexplorer High Power 1D 750 mm, wykorzystywany jest do badania przepływu powietrza o niskiej prędkości. Anemometr ten jest wykorzystywany do badania rozkładu powietrza dookoła człowieka podczas badań wpływu człowieka na parametry powietrza w pomieszczeniu, co umożliwia dokładne dopasowanie parametrów nawiewanego powietrza z indywidualnych układów wentylacji i klimatyzacji.

Kamera termowizyjna firmy FLIR model SC 660, stosowana jest do oceny rozkładu temperatury i emisji ciepła z powierzchni skóry człowieka, zewnętrznej warstwy odzieży, powierzchni manekina termicznego, elementów wyposażenia wnętrz i powierzchni ścian.

Rys. 7. Wizualizacja strumienia konwekcyjnego nad gorącą
powierzchnią sferyczną

Zestawy mierników mikroklimatu firm Bruel-Kjaer, DeltaOHM umożliwiają badanie poszczególnych parametrów środowiska cieplnego (zimnego, umiarkowanego i gorącego) na stanowiskach pracy, dzięki czemu możliwe jest ich odtworzenie w komorach klimatycznych.

Zestaw termoanemometrów firmy Sensor Electronic umożliwiaja pomiar temperatury i prędkości powietrza w 49 punktach jednocześnie w zakresie prędkości od 0,05 do 5 m/s oraz temperatury: -10 do +50°C.

Aparatura do wizualizacji przepływu powietrza metodą fotografii smugowej umożliwiaja obserwację rozpływu powietrza w pomieszczeniach. Na stanowisku możliwe jest sprawdzenie rozpływu powietrza dookoła człowieka, ocena zasięgu strumieni konwekcyjnych kształtujących się nad człowiekiem oraz strumieni wydychanego powietrza, a także rozpływu powietrza wypływającego z nawiewników itp. Wszystkie te elementy mają wpływ na przepływ powietrza w najbliższej odległości od człowieka, są zatem ważnymi elementami kształtującymi rozpływ powietrza w strefie oddychania człowieka. Na rysunku 7. przedstawiono wizualizację przepływu powietrza w strumieniu konwekcyjnym nad niskotemperaturowym źródłem ciepła.

Aparatura do obiektywnej i subiektywnej oceny wpływu środowiska generowanego przez urządzenia wentylacyjno-klimatyzacyjne na parametry związane z produktywnością człowieka. (…)

Aparatura do oceny wskaźników fizjologicznych (…)

Zakres prowadzonych badań (…)

Podsumowanie

W publikacji przedstawiono problematykę badawczą, którą zajmuje się Pracownia Obciążeń Termicznych CIOP-PIB. Unikalna aparatura badawcza umożliwia podejmowanie zagadnień związanych z tworzeniem środowiska w pomieszczeniach, które będzie jednocześnie komfortowe dla użytkowników i zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju.

Publikacja została przygotowania w ramach zadania badawczego nr IV-19 realizowanego w ramach działalności statutowej Centralnego Instytutu Ochrony Pracy – Państwowego Instytutu Badawczego.