* Окончание. Начало см. журнал СОК №8/2022.
5. Требования к дифференциации температуры
Какими могут быть причины, обуславливающие различные требования к температуре в разных помещениях или в разное время? Эти причины будут рассмотрены в следующих разделах, а пока условно обозначим их как:
- изменение ощущений (см. раздел 5.1);
- изменение наружных краевых условий (см. раздел 5.2);
- изменение личных краевых условий (активность, одежда, см. раздел 5.3);
- нахождение в помещении других лиц (см. раздел 5.4);
5.1. Изменяющиеся ощущения комфорта
Насколько изменяется восприятие человеком температурного комфорта с течением времени, уже давно является предметом дискуссий. П. О. Фангер системно исследовал этот вопрос в своей диссертации [1]. Его утверждения по этому вопросу говорят сами за себя. Фангер о возможном изменении ощущения комфорта в течение дня: «Хорошо известно, что температура тела человека подчинена суточному ритму с максимумом за некоторое время до отхода ко сну и с минимумом за некоторое время до пробуждения. Амплитуда этих колебаний составляет примерно 0,3–0,5°C. Поэтому можно говорить о существовании ритма условий комфорта». В то же время исследователь Невинс не смог установить никакой разницы в оптимальной температуре между исследованиями днём и вечером [2]. Исследователь Нильсон наблюдал небольшие изменения во время утренних и дневных экспериментов, но никаких явных различий между этими периодами отмечено не было [3]. Таким образом, «если есть какое-либо влияние суточного ритма на условия комфорта, то оно является, вероятно, таким незначительным, что не имеет никакого практического значения».
Можно констатировать, что в настоящее время в научной литературе нет работ, которые бы подтверждали наличие такого «суточного ритма ощущений». Но, как и прежде, в научно-популярной литературе периодически утверждается о существовании таких изменений, однако это делается без указания источника информации. Исследования не привели к какому-либо научному доказательству ритмичного изменения ощущений в течение суток, то есть исследования Фангера, выполненные на большой статистической базе (n > 1000), всегда подтверждались более поздними трудами [4].
Итак, ощущения комфорта не меняются или почти не меняются во времени. Однако некоторые специалисты иногда утверждают, что для здоровья людей было бы полезнее (возможно, вопреки их желаниям), если они бы систематически подвергались определённому «климатическому раздражению».
Фангер парирует это требование так: «Иногда утверждается, что изменения температуры воздуха полезны, так как оказывают стимулирующий и оживляющий эффект на организм, но это утверждение является спекулятивным и бездоказательным. По крайней мере, установлено, что в помещениях, в которых находится несколько человек, по прошествии некоторого времени появится большее число недовольных, если температура выйдет за установленные пределы, в сравнении с случаем, когда температура будет постоянной».
Таким образом, можно говорить, что до сих пор нет надёжных результатов, говорящих в пользу изменений ощущений комфорта с течением времени.
Детский сад Монтессори (площадь 1214 м2) в городе Эрдинге (земля Бавария, Германия) построен в 2013 году и сертифицирован по стандарту Passive House. Особенностью этого здания, возведённого в условиях тесной городской застройки, является функциональная озеленённая крыша, предназначенная для детских игр на свежем воздухе.
5.2. Изменение наружных климатических условий
Изменение внешних климатических условий само по себе не ведёт к изменению ощущения температурного комфорта внутри помещения. Чтобы и далее недовольными было лишь небольшое число людей, система, состоящая из здания и инженерного оборудования, должна либо сглаживать эти изменения, либо противостоять им посредством активного изменения других параметров.
Этот вопрос должен решаться за счёт изменения параметров работы систем отопления и кондиционирования, которые должны обеспечивать стабильный, «хороший» климат для проживания. Смена комфортных параметров может происходить при изменении следующих типов наружных климатических воздействий:
- наружная температура;
- длинноволновое излучение (от нагретых предметов и конструкций на улице);
- солнечное излучение;
- изменение влажности;
- изменения внутренних источников тепла.
Существуют и другие возможные изменения внешних климатических условий, которые возникают в результате преднамеренных или случайных действий людей. Перечислим их.
А. Окно в помещении открыто или было открыто
Уравнение комфорта при этом не изменится, однако с большой вероятностью изменятся значения двух важных параметров, а именно — температура воздуха и его скорость. Как правило, в зимний период ни одна существующая на данный момент времени система отопления не в состоянии сохранить условия комфорта при открытом окне. Если период времени, когда окно было открыто, был достаточно коротким, то большинство людей воспримут такое кратковременное отклонение приемлемым, только если оно идёт «во благо» (например, в помещение поступил свежий воздух). Здесь следует вспомнить вечные споры о целесообразности проветривания школьных классов.
Штаб-квартира метрополии Руан (Нормандия, Франция) площадью 8300 м2 была построена в 2017 году и сертифицирована по стандарту Passive House в 2020-м.
Для пассивного дома ответ на этот вопрос очень прост: окно можно закрыть, если жителей беспокоят холод или сквозняк. В пассивном доме поступление свежего воздуха автоматически и в достаточном объёме обеспечивается механической системой вентиляции. Если окно было открыто не несколько часов (непонятно, правда, зачем?), то после закрывания окна в помещении в пассивном доме очень быстро снова станет тепло.
В. Произошло понижение температуры в помещении
В первую очередь возникает вопрос о причинах этого понижения. Например, это может быть из-за снижения температуры из-за изменившихся параметров комфорта, однако в пп. 5.1 и 5.2 (см. первую часть этой статьи) не найдено причин, оправдывающих такое изменение.
Другая причина — в целях экономии энергии. Это единственная причина для понижения температуры в помещении, которая указана в научной литературе. Но если людям после такого понижения температуры некомфортно и даже холодно, то лучше не прибегать к подобным мероприятиям. В пассивных домах потребление энергии и без того уже настолько незначительно, что понижение температуры практически не принесёт никакого значимого энергосбережения.
Д-р Юрген Шнидерс (Jürgen Schnieders) в своей работе [5] подробно остановился на том, как в помещениях пассивных домов можно добиться комфортной температуры даже после периода снижения температуры по любым причинам. Здесь имеет смысл проверить, действительно ли необходимо, желаемо или рентабельно понижение температуры. Если единственным значимым эффектом этого является только снижение уровня комфорта, то понижение температуры следует признать принципиально нецелесообразным.
Современная и энергоэффективная Франкфуртская больница (Frankfurt Höchst) — 660 койко-мест, 1600 сотрудников — первая клиника, получившая сертификат Passive House.
5.3. Изменение личностных краевых условий
В уравнении комфорта Фангера фигурируют два параметра, описывающие персональные «краевые условия» человека: активность М и сопротивление теплопередаче одежды Rcl. Изменение обоих значений вызывает изменения в параметрах комфорта, воспринимаемых как оптимальные (прежде всего это оперативная температура).
5.3.1. Изменение активности
А. Малая активность. Такое состояние бывает прежде всего во сне, когда активность человека может понизиться до 0,7 мет. Если же человек лёг спать в лёгкой одежде (1 кло), то требуемая температура окружающей среды чрезвычайно сильно повышается (27,5°C). Обычно эта проблема решается иначе — заменой одежды на более тёплую (с бóльшим сопротивлением теплопередаче) и сном в хорошо теплоизолированной постели. Более подробный анализ этого вопроса представлен в следующей главе «Температурный комфорт во сне».
Б. Большая активность. Как долго мы занимаемся физической активностью (например, фитнесом) в квартире? Для промежутков времени до 30 минут изменения температурных условий не требуется. И для таких изменений смена одежды целесообразна и общепринята — в элегантном вечернем смокинге никто не садится на домашний тренажёр, если только не собирается сделать фото для прессы.
В случае более интенсивной физической активности потоотделение является естественным — ведь в рамках фитнеса выполняются физические упражнения. При большой активности требовательность к температуре окружающей среды снижается. При 2,5 мет / 0,3 кло процент недовольных PDD при неизменной оперативной температуре 20°C находится ниже 7% (оптимальной была бы температура 18,5°C), то есть проблем не возникнет.
5.3.2. Изменение одежды
А. Меньше одежды. Эта ситуация обычно возникает в ванной комнате или при 0 кло. Требуемая температура находится на значительно более высоком уровне — при 1,7 мет (лёгкая активность в положении стоя, например, бритьё) оптимальной оперативной температурой будет 25°C.
Здесь действительно налицо значительно отклоняющееся требование комфорта, поэтому в ванной комнате должна быть возможность быстро повысить оперативную температуру до 24°C. Впрочем, это даже зафиксировано в нормативных документах. В работе [5] представлены технические решения этой задачи. Как правило, в ванной требуется дополнительный источник тепла (излучатель или конвектор) — данное требование давно представлено в имеющихся рекомендациях по подбору инженерного оборудования для пассивных домов (это может быть нагревательный элемент для ванной, инфракрасная лампа, источник тепла, например, проходящий через ванную комнату воздуховод с приточным воздухом).
В. Больше одежды. Эта ситуация чаще всего возникает в спальной комнате (например, кровать с «тёплыми», хорошо теплоизолирующими постельными принадлежностями), см. далее.
18-квартирный жилой комплекс (1423 м2; двух-, трёх- и четырёхкомнатные апартаменты площадью от 55 до 98 м2 с балконом) в городе Шваце (Австрия) — построен в 2017 году и сертифицирован по стандарту Passive House.
5.4. Другие люди в помещении
Ощущение комфорта весьма субъективно и варьируется от человека к человеку. Это было установлено ещё П. О. Фангером. Различия пожеланий являются главной причиной остаточного количества недовольных (PPD ≤ 5%). Каков при этом диапазон изменения условий температурного комфорта? Его можно найти с помощью распределения оценок, полученных для уравнения комфорта. Другим источником для оценки является средняя температура, измеренная во множестве пассивных домов [6, 7]. Их владельцам была предоставлена свобода настраивать температуру так, как они хотят, ведь пассивный дом позволяет легко реализовывать такие пожелания.
По результатам исследований установлено, что индивидуальные оптимальные значения оперативной температуры (включая различия в одежде и активности) в зимний период находятся в диапазоне между 19 и 26°C. На первый взгляд, это неожиданно широкий интервал, но это основа к пониманию наблюдаемого распределения оценок и PPD. Естественно, что люди, для которых ощущение 19°C приближается к оптимальной температуре окружения, не могут себе представить, как можно чувствовать себя хорошо при 26°C, и наоборот.
Следовательно, необходимо учитывать тот факт, что в одном помещении могут оказаться люди с очень разными температурными ощущениями, а значит и пожеланиями. К счастью, эти пожелания, например, в пределах одной семьи в определённой степени нивелируются. Помимо этого, большинство людей немного приспосабливается к общественно-выраженному компромиссу, который они чувствуют во всех общественных местах, адаптируясь посредством надевания соответствующей одежды. Тем не менее, остаётся немалая доля индивидуальных различий.
Здесь остаётся лишь быть готовым к компромиссу. Необходимо допускать определённое отклонение, если помещение используется несколькими людьми (компромисс между «мной» и «тобой»). Именно это является основанием (неявно выраженным) для общего нахождения PMV и PPD в качестве статистически средних значений по общему количеству людей.
Проект строительной ассоциации StadtNatur GbR — 35-квартирные апартаменты (3125 м2) с озеленением фасада и крыши в районе Альт-Рим (город Мюнхен, земля Бавария, Германия). Здание возведено в 2019 году и сертифицировано по стандарту Passive House.
Если в отдельном случае нам приходится иметь дело с небольшим числом людей, то компромисс может выглядеть иначе, чем для общественных помещений, в которых стремятся создать среднее поле уравнения Фангера для PMV = 0. В случае 1,1 мет / 1 кло оперативная температура составит 22,4°C, при этом не будет почти никого, чья оценка будет равна «-3″ (холодно) или «+3″ (жарко), но по 2,5% человек будут оценивать температуру на «-2″ (прохладно) и, соответственно, на «+2″ (тепло). Эти люди дали бы оптимальную оценку, если бы оперативная температура была на уровне 26°C или, соответственно, 19°C. Но такого изменения температуры эти люди вряд ли смогут потребовать, поскольку следствием было бы намного большее количество недовольных среди присутствующих. Если же в помещении находится всего лишь несколько человек, то можно попытаться удовлетворить и крайние требования. При этом речь также идёт лишь о компромиссе — в случае присутствия двух людей можно сгладить максимум Δϑор = 7 К, так что в худшем случае для каждого человека останется Δϑор = 3,5 К — как раз на уровне «оперативной» температуры, выше статистически найденной для всех присутствующих в помещении. Изменения настройки температуры не потребовалось бы, если бы не возникло предположение, что у одного из присутствующих человек возникает ощущение значительного дискомфорта. Если разница пожеланий меньше, то возможно определённое приспосабливание. Мы исходим из того, что владельцы квартир подстроились по активности, одежде и приспосабливанию к изначальной настройке температуры 22,4°C. Если приходит гость с кардинально другим ощущением (Δϑор = 3,5 К), то можно достичь компромисса посредством понижения или повышения температуры на 1,5 К. Тогда каждому из присутствующих пришлось бы мириться с отклонением в 0,5 К, что с учётом представленных в стандартах диапазонов является допустимым.
Таким образом, компромисса среди разных людей в помещении (но небольшого их числа) можно достичь быстрее, если температурное поле комфорта удастся сдвинуть на ±1,5 К.
Многоквартирный жилой дом (1548 м2, 15 квартир) в стандарте Passive House в квартале Домагпарк (город Мюнхен, земля Бавария, Германия) был построен в 2016 году
6. Комфорт во время сна
На тему «комфорт во время сна» можно найти множество информации о критериях комфорта в положении лёжа — в основном в отношении матраса и каркаса кровати. Конечно, предотвращение мышечных напряжений и болей в голове, шее и спине особенно важно для среднестатистического человека. Лишь за этим следуют такие пункты, как покой и уютное тепло. Тепловой комфорт находится явно не на первом месте в отношении хорошего сна, но занимает твёрдое место среди пожеланий.
Даже если стандарт DIN EN ISO 7730 [8] явно исключает применение для случая спальной комнаты температурного комфорта в постели, то уравнение комфорта Фангера отражает корректно и этот вопрос. Существует небольшое количество достаточно крупных научных работ на тему температурного комфорта в кровати. В них исследователи оперируют исходным уравнением комфорта Фангера, но в отношении постели используют обычно сопротивление теплопередаче Rbed, включая коэффициенты теплоотдачи у наружной поверхности hkonv и hrad, и не делают различия между температурой излучения и температурой воздуха. Это целесообразно, если подумать о том, что обычные значения R здесь во много раз выше, чем сопротивления теплоотдаче у поверхностей, и это упрощение почти не оказывает влияния на результат.
Ключевой по данному вопросу является работа Элизабет Маккалоу (Elizabeth A. McCullough) и др. «Измерение и прогнозирование теплоизоляции, обеспечиваемой системами постельного белья» [9]. Как и при исследовании одежды, в случае с постелями используют специальный «термический» манекен, чтобы воссоздать условия баланса тепла человека как можно ближе к действительности. В этом случае манекен общей поверхностью Аs = 1,8 м² имеет 17 отдельно обогреваемых сегментов. Подобно среднестатистическому человеку, в состоянии покоя эта кукла обогревается электрической мощностью Р = 80 Вт; настроенная температура поверхности кожи находится в среднем на уровне ϑs = 33,3°C, конечностей — на уровне 29,4°C (кисти, стопы). Скорость потоков воздуха в рассматриваемом помещении была везде менее 0,1 м/с, влажность не регулировалась. Температура излучения и температура воздуха ϑа в помещении принимались как равные.
На основе полученных данных измерения можно определить сопротивление теплопередаче всего спального окружения по формуле:
Rbed = (ϑs — ϑa)As/P, м²·К/Вт
(при делении на 0,155 м²·К/Вт получится пересчёт в значение кло).
Пока спящий укрыт «по шею», значения Rbed в работе получались между 1,9 кло (льняное покрывало в качестве одеяла) и 4,8 кло (толстое стёганое одеяло). Позднее мы увидим, что при использовании пижам и одеял можно достичь намного более высоких теплоизоляционных характеристик. Область вариативности всех комбинаций находилась между 1,4 и 4,9 кло. Установлено, что с помощью пухового одеяла могут быть достигнуты ещё более высокие теплоизоляционные характеристики.
Как можно использовать эти данные для назначения температурных условий в спальной комнате? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к международному стандарту EN 13537 [10]. В этом стандарте на основе уравнения комфорта Фангера вводится четыре вида температуры для спального окружения (спального мешка), как то:
1. Экстремальная температура ϑext — это нижнее предельное значение температуры, при котором существует риск нанесения вреда здоровью в результате переохлаждения (гипотермии), в пересчёте на «стандартную» женщину при стандартных условиях использования спального мешка.
Примечание 1 (в [10]): Если температура опускается ниже экстремальной, то это означает серьёзную угрозу жизни с вероятным летальным исходом.
Примечание 2 (в прил. D [10]): Экстремальная температура является теоретической границей и поэтому не должна достигаться на практике, если только пользователь не обладает богатым практическим опытом.
Примечание 3 (от авт.): Наверно, было бы лучше отказаться от указания такой экстремальной температуры. Она почти ничего не сообщает о диапазоне применения спального мешка, на что всегда указывают продавцы. Условия измерений предусматривают, что пользователь находится в застёгнутом спальном мешке и обеспечивает дополнительный энергообмен посредством «дрожания от холода» (озноба) в размере 20,4 Вт/м² (+50%). О комфорте речи здесь быть не может, о сне тоже.
2. Граничная температура ϑlim — это нижняя граница температуры, при которой человек находится в застёгнутом спальном мешке в температурном равновесии и ещё не мёрзнет.
Примечание (от авт.): Даже граничная температура определяет лишь нечто вроде нижней границы только что приемлемого диапазона.
3. Комфортная температура ϑcomf — это нижняя граница зоны комфорта, до которой пользователь находится в расслабленной позе, например, лёжа на спине, пребывая в тепловом равновесии, и не замерзает (в пересчёте на «стандартную» женщину при стандартных условиях использования спального мешка).
Примечание (от авт.): Комфортная температура определяет, как правило, нижнюю границу диапазона комфорта для сна в таком спальном мешке.
4. Максимальная температура ϑmax — это верхняя граница диапазона комфорта, до которой частично обнажённый пользователь («стандартный» мужчина) ещё не слишком потеет.
Примечание (от авт.): Максимальная температура определяет, как правило, верхнюю границу приемлемого диапазона для сна в данном спальном мешке. Спальный мешок в таком случае открыт, и руки человека находятся вне спального мешка.
Стандарт EN 13537 [10] содержит в приложении А инженерный метод, с помощью которого для заданного спального мешка можно определить «стандартное значение изоляции» Rc (здесь лучше бы обозначить как «стандартное сопротивление теплопередаче», так как именно это значение было определено в работе [9]).
Этот метод основан на использовании термического манекена, который обогревается от 44 до 64 Вт/м² и имеет температуру «кожи» от 29 до 35°C. Полученные таким образом значения Rc применительно к спальным мешкам стандартно не публикуются, хотя они представляют собой непосредственные первичные результаты измерений и говорят специалисту гораздо больше, чем «рассчитанные» границы температуры.
Приложение С стандарта содержит «физиологическую модель» для расчёта диапазона использования. Приведённые там уравнения идентичны уравнению комфорта Фангера — отличаются только краевые условия (энергетический обмен М человека меньше в состоянии сна).
На рис. 1 изображена зависимость диапазона комфорта от стандартного сопротивления теплопередаче спального мешка или спального окружения. Центр диапазона комфорта расположен между жирной линией (квадраты) и тонкой линией (треугольники).
Рассмотрим два примера:
1. Для хорошего туристического спального мешка с Rc = 0,86 м²·К/Вт (5,5 кло) граничная температура находится на уровне 0,7°C, температура комфорта — на уровне 5,6°C, а максимальная декларируемая производителем температура внутри мешка — на уровне 22°C. Если спальный мешок закрыт, то верхняя граница комфорта находится на уровне 11°C. Такой спальный мешок пригоден, например, для ночёвки летом и осенью в палатке.
2. Совсем простой, так называемый «летний» спальный мешок (диапазон комфорта от +10 до +30°C) имеет Rc = 0,6 м²·К/Вт (3,9 кло), что соответствует значению обычного пухового одеяла. Из уравнения комфорта получаем для этого случая ϑlim = 10°C, ϑcomf = 14°C и ϑcomf,0 = 18°C (для спального мешка всё ещё в полностью закрытом состоянии).
Последний пример наглядно показывает, как получаются сегодняшние «рекомендации» для температуры в спальной комнате. В случае обычного зимнего одеяла диапазон комфорта находится между 12 и 18°C. Первый пример показывает, что можно спать в ещё более холодном окружении, если «теплее» укрыться. Значения кло на уровне 6,0 вполне достижимы с помощью обычных пуховых одеял.
Обсудим также другую крайность. Допустим, человек остаётся в постели и собирается укрыться полностью. В пижаме с короткими рукавами и в полностью укрытом состоянии по измерениям [9] получается значение Rc = 0,32 м²·К/Вт (2 кло).
Из уравнения комфорта получаем для этого случая: ϑlim = 23,4°C, ϑcomf = 24,8°C, ϑcomf,0 = 26,2°C.
Это примерно верхняя граница для «нормальных европейских условий сна» — с матрасом, пижамой и одеялом. Поэтому часто можно услышать высказывание относительно сна в летний период: «до 26°C ещё терпимо, а при более высокой температуре я уже не могу хорошо спать».
Пассивные дома The Zetland в городе Манчестере — самая экологичная модернизация в Великобритании, получившая европейский сертификат EnerPHit Plus в 2016 году. После модернизации эти два викторианских таунхауса, построенные в 1894 году, снизили потребность в отоплении помещений на 95% при отсутствии системы центрального отопления.
Климатические условия, например, тропических стран показывают, что это ещё не абсолютная верхняя граница. Однако там сформировались иные привычки сна и иное окружение. При использовании гамака и москитной сетки получается значение Rc = 0,11 м²·К/Вт (0,73 кло). Затем из уравнения комфорта можно определить: ϑGrenz = 27,5°C, ϑcomf = 29°C и ϑcomf,0 = 30,5°C. В обычных для Европы климатических условиях в гамаке достаточно быстро становится слишком холодно — это по опыту может подтвердить каждый, кто когда-либо засыпал в гамаке.
Исходя из вышесказанного можно утверждать, что:
1. Основной проблемой комфортного температурного окружения сна является то, что из-за сниженного во сне обмена веществ в нормальной одежде обычно слишком холодно. Поэтому издревле в Европе для сна обустраивалось хорошо изолирующее окружение с матрасом (величина R → ∞) и толстой периной.
2. В зависимости от «одеяла» и пижамы очень сильно варьируются оптимальные температурные условия комфорта в спальном окружении.
3. При использовании «старинного» зимнего пухового одеяла комфортная для сна температура скорее низкая. Зато диапазон комфорта очень широкий, и восприимчивость к сквознякам и другим локальным неприятностям, а также к колебаниям температуры очень низкая.
При использовании «летнего» одеяла (хлопчатобумажного одеяла) и пижамы с длинными рукавами мы попадаем прямо в диапазон комфорта ϑcomf = 21°C (табл. 6.1). Это подходящее спальное окружение для среднестатистического человека в спальной комнате пассивного дома, где зимой даже ночью будет средняя для квартиры температура (рис. 2).
Диапазон различных температурных ощущений у людей очень широк. То есть вполне может быть, что кому-то потребуется индивидуально подобранное одеяло, чтобы чувствовать себя хорошо в определённом климатическом окружении. Предлагаемый диапазон различных комбинаций одеял и пижам сейчас настолько велик, что для каждого персонального пожелания обязательно найдётся подходящая продукция.
Односемейный коттедж Passivhaus Danzl (136 м2) построен в 2005 году высоко в горах Тироля (Австрия).
Другой интересной возможностью является использования водяных кроватей. Согласно данным производителей, они равномерно подогреваются до температуры от 27 до 28°C, что индивидуально варьируется. Летом их подогрев также требуется, но термостат настраивается на более низкую температуру. Из-за высокой теплоёмкости воды температура в таких кроватях довольно быстро стабилизируется пассивным способом.
В работе [9] содержится уравнение, с помощь которого с хорошим приближением можно оценить сопротивление теплопередаче Rc спального окружения:
Rc = {3,3fукрыт — 0,0052fодеждμодежд + 0,0033fодежд&одеялμодежд&одеял — 1,13}×0,155, м²·К/Вт,
где fукрыт, fодежд и fодежд&одеял — соответствующие доли закрытости тела:
1) укрыт: матрас или одеяло или пижама;
2) одежда: только пижама;
3) одежда и одеяло: пижама и одеяло);
μодежд и μодежд&одеял — поверхностная плотность соответствующего слоя, г/м². Формула была найдена на основе регрессионного анализа с R2 = 92%. Представленная здесь формула также была использована для получения данных табл. 6.1.
6.1. Резюме по температуре в спальной комнате
Итак, мы выяснили, что условия, воспринимаемые как комфортные для спального окружения, очень разнятся в зависимости от культуры, индивидуального строения и привычек человека.
Условия температурного комфорта можно и в этом специфическом случае описать уравнением комфорта Фангера. Научные исследования в этой области многократно верифицированы, поэтому в стандарте EN 13537 [10] установлены методы классификации диапазонов комфорта спальных мешков. Для спальных мешков (и спального окружения в целом) общепринятым стало указание (общего) сопротивления теплопередаче, включая сопротивление теплоотдаче.
Примеры в данной главе показывают, что существует великое множество очень разных спальных окружений с широким спектром значений кло (примерно от 1,0 до более 5,0). Температура оптимального комфорта в этих в окружениях тоже очень разная. Например, в случае типичных для Европы «старинных» пуховых одеял и длинных пижам оптимальная температура для сна будет скорее низкой (от 14 до 15°C), если укрыться ими полностью. Но сегодня есть и лёгкие перины с небольшим количеством пуха, пригодные в качестве летних одеял и имеющие значения от 2,8 до 3,0 кло, как обычные стёганые одеяла. Для «среднестатистического» человека оптимальное значение температуры сна в длинной пижаме находится между 20 и 22°C. При использовании более лёгких одеял и лёгкого белья комфортный диапазон перемещается ещё дальше вверх, даже если укрываются полностью. В случае традиционной постели с хорошо изолирующим матрасом есть верхняя граница, которая также индивидуальна, но в среднем находится на уровне примерно 26°C. Но такая температура вряд ли будет достигнута ночью в Европе в хорошо изолированном здании, каким является пассивный дом.
Гостевой дом (5900 м2, 139 апартаментов) в городе Леобен (Штирия, Австрия) — первый в мире пассивный дом большого объёма, построенный из дерева. Здание служит общежитием для студентов Горного университета Леобена — единственного вуза в Австрии, готовящего специалистов в области горной и металлургической промышленности.
7. Выводы. Какие требования предъявляются?
По теме температурного комфорта в помещениях, где находятся люди, опубликовано большое количество научной литературы. Основополагающим исследованием при этом является диссертация П. О. Фангера «Температурный комфорт» [1]. Результаты этой работы являются актуальными и на сегодняшний день, хотя в некоторых деталях (например, риск сквозняков) к температурному комфорту в помещениях сегодня предъявляются более высокие требования, чем установленные Фангером.
Ключевым положением, которое Фангер научно обосновывал и защищал от различных нападок, было требование равномерности температурного поля в помещении и во времени. По этому вопросу Фангер высказывается так: «Чем более неравномерным является температурное поле в помещении, тем больше прогнозируемое число недовольных». Последующие дополнительные исследования подтвердили этот существенный критерий. Поэтому важнейшей целью отопительной и кондиционирующей техники является обеспечение равномерного и постоянного по времени температурного поля в помещении.
Это требование зафиксировано сегодня в международном стандарте DIN EN ISO 7730 [8], причём в этом стандарте прямо ссылаются на диссертационную работу Фангера [1]. Здесь находятся (сравнительно менее строгие) требования к равномерности температурного поля, допускающие наличие 10% недовольных. Данный стандарт допускает применение и более строгих требований. Это прослеживается, например, в последнем проекте ASHRAE 55 (2003) [11]. Там зафиксированы классы комфорта, причём класс А определяет максимум PPD = 6% недовольных. Стандарт позволяет найти, при заданных активности М и одежде Rc, не только оптимальное в каждом случае температурное состояние, но и диапазон допустимых отклонений от этого оптимума.
Получается, что переменными температурного поля по важности их значения являются температура излучения ϑrmt, температура воздуха ϑa, относительная скорость воздуха vrel, влажность воздуха и парциальное давление водяного пара pa. Влияние влажности в нормальных условиях жилого помещения очень незначительно, и скорость воздуха, по результатам последних исследований, должна поддерживаться на пренебрежимо малом уровне (v < 0,1 м/с). На этом фоне влияние температуры является решающим. Пока температуры воздуха и излучения отличаются несущественно, обе температуры можно объединить в «воспринимаемую» или «оперативную» температуру
ϑор = (ϑrmt + ϑа)/2
и сформулировать требования как требования к этой оперативной температуре.
Для всех помещений (а значит и для пассивных домов), предназначенных для длительного пребывания в них людей, для повышенного комфорта (в соответствии с классом А по ASHRAE 55 [11], PDD < 6%) можно сформулировать:
- колебания оперативной температуры в помещении и по времени:
∆ϑор = ±0,8 K (max);
- ограничение риска сквозняков до DR < 8%:
vвозд ≤ 0,08 м/с;
- асимметрия температуры излучения (пол/потолок):
∆ϑr_ass ≤ 5 K;
- вертикальное различие температуры воздуха между головой (виском) и щиколоткой сидящего человека:
∆ϑ1,1_0,1 м ≤ 2 K.
Для общего размера ещё допустимых изменений оперативной температуры во времени в ASHRAE 55 [11] есть таблица, которая представлена как табл. 7.1.
Здание Центра технологии пассивного дома (Passive House Technical and Experience Center) площадью 7535 м2 в Китайско-германском экопарке «Циндао» возведено в 2016 году и представляет собой первый демонстративный проект сотрудничества в области устойчивого развития, совместно разработанный правительствами Китая и Германии.
Ещё одно требование американского стандарта ASHRAE 55 [11] касается комфорта в летний период в кондиционируемых помещениях: необходимо, чтобы не превышалась граница, когда возникает ощущение духоты. Инженерное оборудование для регулирования влажности должно быть в состоянии поддерживать парциальное давление водяного пара на уровне ниже 1910 Па, в соответствии с температурой точки росы 16,8°C.
Ни DIN EN ISO 7730 [8], ни ASHRAE 55 [11] не содержат каких-либо требований к изменяемости температурных условий. Многочисленные социально-физиологические исследования выявили, что такие изменения приводят скорее к дискомфорту, в результате чего повышается число недовольных. Поэтому в рассматриваемых документах представлены только требования к равномерности температурного поля в помещении.
Но это ни в коем случае не означает, что не существует причин, которые могут потребовать изменения температурного поля в помещении или между помещениями. Подробнее этот вопрос представлен в разделе 5, где рассмотрены следующие четыре причины:
1. Согласно разделу 5.1, для такого изменения нет научных оснований.
2. Согласно разделу 5.2, с изменениями внешних климатических условий должна справляться система «здание — инженерное оборудование». Расчёты и натурные измерения показывают, что пассивные дома превосходно справляются с этой задачей и обеспечивают выполнение условий по классу А по ASHRAE 55 [11].
3. Согласно разделу 5.3, необходимо учитывать изменение личных краевых условий (активность, одежда). Установлено, например, что для ванной комнаты всегда следует предусматривать дополнительное отопление. В главе 6 рассматривался вопрос об изменённых условиях в спальной комнате.
4. Так как в помещении находятся другие люди, из-за индивидуальных различий и возможной вариабельности активности и одежды для удовлетворения пожеланий гостей действительно может потребоваться изменение температуры в помещении. Согласно разделу 5.4, рекомендуется в помещениях, которые используют несколько человек, сначала настроить «принятую в данной культуре» среднюю температуру отапливаемых общественных помещений (например, в Германии сейчас она составляет 22,4°C). Если в результате этого возможно изменение температуры на ±1,5 К, то можно пойти навстречу отдельным гостям из-за различий в индивидуальных ощущениях.
Названная в пункте 4 возможность удовлетворения пожеланий (отдельных) гостей на ±1,5 К — это максимальное изменение, полученное в рамках проведённого анализа. В научной литературе на этот счёт нет никаких указаний, поскольку речь идёт об очень специфическом случае (концентрация на одном «особенном» госте, ради которого жильцы готовы изменить температуру в помещении). Если же приходит несколько гостей, то в целом не рекомендуется изменять температуру, так как из-за различия ощущений в результате изменения температуры число недовольных только будет расти.
Следует делать различие между исходными желаниями изменить температуру и технически обусловленной необходимостью. Например, после снижения температуры — достижение снова комфортной температуры посредством нагревания. Здесь следует сначала задать вопрос о причинах снижения температуры. Мотивом понижения температуры в помещении здания обычно является экономия энергии и уменьшение эксплуатационных затрат. Однако в пассивном доме этот мотив по большей части уже реализован; если понижение температуры приводит к некомфортным условиям, то следует подумать над прекращением такого понижения. Достигаемая в результате понижения температуры экономия в пассивных домах очень незначительна.
В разделе 6 подробно рассмотрен вопрос о комфортных условиях для окружения во время сна. Здесь условия температурного комфорта также могут быть описаны уравнением комфорта Фангера.
Восьмиэтажное здание факультета технических наук Университета Инсбрука (Австрия), возведённое в 1968 году, в 2016-м было модернизировано по стандарту EnerPhit при прямом участии Passivhaus Institut (г. Дармштадт, Германия). Потребность здания в отоплении снизилась со 180 до 21 кВт·ч/м2.
Примеры показывают, что существует большая вариативность спального окружения с очень широким спектром значения кло (от 1,0 до более 5,0). Комфортные температуры для этих видов окружения тоже очень разные. В случае толстого одеяла и длинной пижамы оптимальная температура спального окружения скорее низкая (14–15°C). С «летним» стёганым одеялом среднестатистический человек считает оптимальной температуру сна между 20 и 22°C. Существует огромное число вариантов постелей и пижам, так что нет объективной необходимости специально подстраивать температуру в спальной комнате. Тем не менее, можно попытаться удовлетворить индивидуальные пожелания, насколько это возможно. Поэтому в упомянутой выше работе д-ра Юргена Шнидерса [5] исследуются возможности понижения температуры в спальной комнате.
