02 - thermal comfort

Upload: tiago-henriques

Post on 01-Jun-2018

249 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    1/16

    Confort

    Energy Balance to Human Body

    Operative Temperature

    Confort Conditions

    Other aspects of  confort:Ilumination, Sound level, Air quality

    Thermal Comfort

    •   “that condition of  mind that expresses satisfaction ”  . 

    •   The main objective of  the HVAC systems is to provide thermal comfort and is one of  the main causes for energy consumption in buildings.

    •   The thermal comfort felt by individuals depend not only on the ambient conditions (general) as well as conditions from the persons (particular).

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    2/16

    Human Metabolism and 

    Body Temperature

    •   Metabolism is the energy produced by the aliments 

    oxidation that is used for work and the remainder is 

    dissipated as heat to the environment.

    •   The usefull work can be quantified by the variation of  

    kinetic or potential energy but in many activities is ~0!

    •   The metabolism and hence the heat to dissipate 

    depends a lot on the human activity and person mass 

    while heat transfer depends on body surface, clothes.•   The body temperature should be close to 37ºC while 

    the skin temperature is about 32‐33ºC.

    Heat Balance to Person

    M‐W=qsk+qres +S

    Heat is transfered to the environment 

    through the skin or respiration and the 

    rest is used to accumulate energy (S)

    The heat transfer has sensible and 

    S = rate of energy acumulation in the body W/m2

    •   All values are expressed by body area for convenience and the body area is 

    correlated with height and mass of  the person.

    Extracted from ASHRAE (2009) F09‐C.9   latent contributions.

    DuBois area

    •   The ‘standard’ person is 1.73 m tall, 

    weights 70 kg and has an area of  1.8 m2.

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    3/16

    MetabolismExtracted from ASHRAE (2009) F09‐C.9

    Values of  metabolism are available for 

    different activities and for convenience 

    the unit met is defined as correspondent 

    to a person sitted and to a value of  58.1 

    W/m2 or 104 W for the standard person.

    (Sensible) Heat loss through skin•   The heat loss through skin in part of  the body as to cross 

    the clothes and therefore is directly affected by these.

    •   The heat conduction throuh the clothes is characterised by 

    the clothes heat transfer resistance (Rcl  in m2K/W) that also 

    increases the external area available for heat transfer ( f cl ).

    •   The heat is then transfered from the external surface of  

    the clothes in parallel by convection and radiation to the 

    environment.

    K m

    W T F h ccer  2

    3 7.44     

    hc is calculated from correlations for natural or forced convection

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    4/16

    Convection heat transfer

    There are (very) different correlations proposed.

    In genera  epen   on velocity and distinguish the effects of  natural or forced convection.

    The ISO 7730  (2nd Ed. 1994) considers the maximum from the following correlations:

    h=2.38 (tcl‐t

    air)0.25

    h=12.1 v0.5

    Radiation heat transfer

    •   The building materials in general have large emissivities and 

    due to the larger dimensions of  the room surfaces compared 

    to the person are aproximated as black bodies.

    •   Due to the small differences in the absolute temperatures the 

    radiation heat transfer rate can be linearized and a typical 

    value for clothes emissivity is 0.95 leading to hr = 4.5 W/m2K

    •   The radiation temperature can be calculated from shape 

    factors and the temperature of  surfaces (floor, walls, ceiling)

    Nas su erfícies em contacto com o 

    exterior podem existir diferenças até 

    3oC em relação à temperatura do ar.

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    5/16

    Measurement of  temperature

    •   The average radiation temperature can be obtained from 

    measurements made with a globe thermometerC e n 

    air globeglober    vt t t t    273273 dependente do aparelho

    Fotos de José Luis 

    Alexandre, FEUP

    The figures show the measurement of  the three temperatures:

    Air (dry); humid temperature and global temperature.

    A anemometer is also required and there is a model for omnidirection velocity.

    Clothes I•   The heat transfer resistance of  

    clothes are expressed in clo units 1 clo = 0.155 m2K/W

    •   1 clo ~ winter indoor clothes

    •   The cloth factor  f cl  represents the area increase for heat transfer and in ASHRAE is aproximated by

    •   In ISO7730 it is given by:

    •   f cl  = 1 + 1.29 Rcl   for Rcl   0.078

    •   ASHRAE defines also mass transfer characteristics not considered here

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    6/16

    Clothes II•   Heat transfer resistances may be calculated from the sum of  

    contributions of  individual garnments or by 

    When the person is sitted for example an aditional insulation should be considered of  0.1 clo 

    Operative and clothes temperature

    •   The definition of  the radiation convection coefficient allows 

    the definition of  an operative temperature (t 0):

    •   From the equality of  the heat through the clothes and the 

    convection/radiation  the clothes temperature can be 

    eliminated and the sensible heat transfer rate is thus:

    •   The ISO 7730  keeps the general formulation of  the heat 

    balance and the clothes temperature is obtained from:

    44 273273     r clceair clclclsk cl   t t F t t h f  Rt t     

    896.3     E F ce  W  M t sk    0275.07.35

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    7/16

    (Latent) Heat loss through skin

    •   The latent heat loss through the skin is due to transpiration and depends on the partial pressures of  moisture close to the skin ( p   ) and in the air ( p   ), the fraction of  wetted surface (w) and  ,the mass transfer resistance of  the cloth (Re,cl ) and convection (he). The calculations are complex and we will use ISO7730.

    •   ISO7730 defines the heat losses due to transpiration and moisture diffusion as a function of  metabolism and moisture pressure in air ( pa):

    •   The total heat loss through skin is then 

    ask    pW  M  E  394.6)(4.0  

    sk sk    E  RC q  

    Respiration•   The respiration has also two contributions due to temperature 

    and moisture variations between the ambient air and the air expelled from the lungs. This is a minor contribution for heat loss.

    •   The heat losses are proportional to the metabolism and are defined in the same way by ASHRAE and ISO7730

    •   The moisture partial pressure in the air can be calculated from the product of  the relative humidity and the saturation pressure

    with M in W/m2, ta in ºC and pa in kPa

    •   The total heat transfer from the body to the environment is:

    )(t  p RH  p sat a     and   235403065.16exp)(     air sat    t t  p

    resressk ressk    E C  E  RC qq  

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    8/16

    Energy accumulation and PMV

    •   The difference between the metabolism and the work done 

    and heat loss is the energy accumulation that in ASHRAE is 

    separa e   n  wo par s w e  n  on y  n one:

    •   The rate of  energy accumulation is directly related with the 

    comfort sensation and in ISO7730 is used to define the 

    Predicted Mean Value (PMV) 

    resressk ressk 

      E C  E  RC W  M qqW  M S   

    028.0303.0 036.0     M eS PMV that corresponds to:

    ‐3

    Cold

    Insuportável‐

    mente frio

    3

    Hot

    Insuportável‐

    mente quente

    1

    Slightly Warm

    Ligeiramente 

    quente

    0

    Neutral

    Neutro

    2

    Warm

    Quente

    ‐1

    Slightly cool

    Ligeiramente 

    frio

    ‐2

    Cool

    Frio

    Predicted Percentage of  Dissatisfied •   Based on a statistical analysis of  the comfort sensation of  

    persons when subject to a given set of  conditions the PPD 

    index was defined and correlated with the PMV by:

    24 2179.003353.0exp95100   PMV PMV PPD  

    PPD

         e     x     a     n       d     r     e ,

          F      E      U      P

    Frio Calor

    There is always a PPD even if  PMV =0; for|PMV| 

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    9/16

    Condições de conforto PMV  ‐ PPDFixing the relative humidity comfort temperature maps can be 

    produced as a function of  clothes and metabolism (occupants). Note that operative temperature depends on t, tr and v

    From ISO7730, Optimal values correspond to |PMV|

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    10/16

    EN 15 251

    •   Based on ISO7730 defines 4 levels of  comfort:

    |PMV|; PPD

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    11/16

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    12/16

    ASHRAE 55 

    •   Comfort conditions are defined in regions of  the psycrometric 

    diagram for winter and summer based on assumed Met, Clo 

    and air velocity

    When velocities are 

    changed there is a 

    correction for the 

    temperature values.

    Adaptative comfort•   The comfort conditions perceived by the persons depend on 

    the ambient air conditions outside the buildings.

    Comfort temperature as a function of  

    the average outside temperature 

    (retirado de Vitor Leal, MIT)

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    13/16

    Standard Effective Temperature

    •   ASHRAE also defines the SET Index that expresses the 

    result of  temperature and humidity on discomfort

    This type of  graphs is used 

    to evaluate the discomfort 

    of  workers in harsh 

    environments.

    There is other index: Heat 

    stress index defined by the 

    capacity to dissipate heat by 

    transpiration that defines 

    the maximum time periods.

    Conclusions•   The definition of  thermal comfort conditions 

    depends on human activity and clothes.

    •   There are quantitative methods to evaluate comfort 

    and statistical information to evaluate the level of  

    dissatisfied persons that will always exist.

    •   The heat balance allows to 

     –  Analyse the impact of  individual variables and to see how 

    they can be compensated by others.

     –   Evaluate the heat loads due to occupancy (sensible+latent)

    In terms of  legislation the reference conditions inside buildings are 

    25oC and 50% relative humidity in summer and 20oC in winter.

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    14/16

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    15/16

    Efficiency of  light sources

    Tipo de Lâmpada

    Potência

    Eléctrica (W)

    Fluxo

    Luminoso

    (lm)

    Eficácia

    luminosa

    (lm/W)

    Eficiência

    Eflum/668,45

    Farol de bicicleta 3 30 10 1,5 %

    Incandescente 100 1360 13,6 2,0 %

    Incandescente (?) 60 620 10,3 1,5 %

    Compacta … 11 570 51,8 7,7 %

    Fluorescente 58 5400 93 13,9 %

    Sódio de alta pressão 100 10500 105 15,7 %

    Sódio de baixa pressão 131 26000 198 29,6 %

    Va or de mercúrio 1000 58000 58 8 7 %

    Iodetos metálicos 2000 190000 95 14,2 %

    Lâmpadas compactas novas

    Lâmpadas compactas de projector 60 5700 95 14,2 %

    ASHRAE ‐ F09, Ch. 10

  • 8/9/2019 02 - Thermal Comfort

    16/16

    Manuel Duarte Pinheiro, ISTJosé Luis Alexandre, FEUP

    Desenhos de José Luis