Full Text - Politechnika Wrocławska

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 64
Politechniki Wrocławskiej
Nr 64
Studia i Materiały
Nr 30
2010
LabVIEW, komfort cieplny
Krzysztof PODLEJSKI*, Damian SZYDŁOWSKI
ZASTOSOWANIE LabVIEW
DO OCENY KOMFORTU TERMICZNEGO
Celem prowadzonych prac jest wykorzystanie właściwości LabVIEW do budowy przyrządów
stosowanych w ocenie mikroklimatu i komfortu termicznego. Napisany program umożliwia wprowadzenie wszystkich danych pomiarowych i parametrów dodatkowych określonych w obowiązujących
przepisach. Na tej podstawie są obliczane wskaźniki PMV (przewidywana ocena średnia) i PPD
(przewidywany procent niezadowolonych). Wskaźnik PMV jest obliczany z równania a wskaźnik
PPD z równania lub z wykresu. Program kontroluje poprawność wprowadzanych danych oraz sygnalizuje nieprawidłowe wartości wskaźników PMV i PPD. Wszystkie dane i wyniki obliczeń są prezentowane tabelarycznie. Wyniki z tabel umożliwiają automatyczne tworzenie wykresów czasowych
i PPD = f(PMV). Zaletą programu jest zwarta i prosta budowa. Przeprowadzone badania symulacyjne
potwierdziły poprawność działania programu. Uzyskane wyniki można wykorzystać do wykonania
przyrządu z kartą DAQ klasyczną, bezprzewodową, włączoną do sieci LAN lub do Internetu.
1. WPROWADZENIE
W warunkach komfortu cieplnego (termicznego) równanie bilansu cieplnego człowieka [2] przyjmuje wartość zerową. Równanie określa związek między akumulacją
ciepła przez człowieka a jego metaboliczną produkcją, sprawnością ruchową, stratami
ciepła i jego wymianą z otoczeniem. Zachwianie stanu równowagi termicznej może
prowadzić do zmian w układzie krążenia, ośrodkowego układu nerwowego, zaburzeń
gospodarki wodno-elektrolitycznej człowieka. Na komfort cieplny wpływ mają czynniki
środowiskowe (temperatura, prędkość i wilgotność powietrza oraz temperatura promieniowania powierzchni) i indywidualne (metabolizm człowieka, izolacyjność cieplna
odzieży). Ocena komfortu cieplnego jest przedmiotem wielu badań w aspekcie analizy
mikroklimatu różnych pomieszczeń [3, 5, 7, 8, 10]. W ocenie wykorzystuje się metody
doświadczalne, ankietowe (związane z odczuciami cieplnymi użytkowników) i progra__________
* Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 50-370 Wrocław, [email protected]
545
mowe oparte o opisane w literaturze modele i algorytmy [4]. Ciekawy model komfortu
cieplnego w systemie regulacji mikroklimatu przedstawiono w [6]. Analityczne wyznaczanie komfortu cieplnego określone jest odpowiednimi przepisami [9], które wyznaczają warunki stosowania oceny. Podstawowymi czynnikami stosowanymi do oceny są:
przewidywana ocena średnia (PMV – Predicted Mean Vote) i przewidywany odsetek
niezadowolonych (PPD – Predicted Percentage of Dissatisfied). Szerokie badania komfortu cieplnego i mikroklimatu prowadzone są przez wiele instytucji, które wykorzystują
odpowiednie przyrządy pomiarowe i specjalizowane oprogramowanie (dostępne są także
w internecie programy do obliczeń PMV i PPD).
Celem prowadzonych prac jest zastosowanie LabVIEW [1, 11, 12] do oceny komfortu cieplnego za pomocą wskaźników PMV i PPD. Środowisko to dostarcza narzędzi
do akwizycji danych pomiarowych (poprzez karty pomiarowe lub symulacyjnie), umożliwia prowadzenie różnorakich obliczeń, tabelaryzowanie danych, wizualizacje wyników, procedur i procesów. W pierwszej fazie prac utworzono program do oceny komfortu cieplnego i sprawdzono jego poprawność działania symulacyjnie.
2. WYMAGANIA NORMATYWNE
Do oceny komfortu cieplnego przyjęto wymagania zawarte w normie [9], która dotyczy umiarkowanych warunków mikroklimatycznych, odpowiadających pomieszczeniom
zamkniętym z systemami ogrzewania oraz opcjonalnej wentylacji. Norma określa przedziały wartości mierzonych wielkości fizycznych w pomieszczeniu: i definiuje dodatkowe parametry konieczne do obliczenia wskaźników PMV i PPD.
PMV = [0,303 ∗ exp(−0,036 ∗ M ) + 0,028] ∗ {(M − W ) − 3,05 * [5733 − 6,99 * (M − W ) − pa ]
− 0,42 ∗ [( M − W ) − 58,15] − 1,7 ∗ 10 −5 ∗ M ∗ (5867 − pa ) − 0,0014 ∗ M ∗ (34 − t a ) − 3,96
[
]
∗ 10 −8 ∗ f cl ∗ (tcl + 273) 4 − (t r + 273) 4 − f cl ∗ hc ∗ (tcl − t a )
}
(1)
gdzie: M – metabolizm użytkownika, W – praca zewnętrzna, Icl – oporność cieplna
odzieży, fcl – stosunek pola powierzchni ciała okrytego odzieżą do powierzchni ciała
odkrytego, ta – temperatura powietrza, tr – średnia temperatura promieniowania, var –
prędkość przepływu powietrza, pa – ciśnienie cząstkowe pary wodnej, hc – współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję, tcl – temperatura powierzchni odzieży.
W powyższym równaniu należy iteracyjnie obliczyć tcl, warunkową wartość fcl
oraz hc = f(tcl, ta, var).
(
PPD = 100 − 95 exp − 0,03353PMV 4 − 0,2179 PMV 2
)
(2)
546
Obliczona wartość PMV jest porównywana z 7 stopniową psychofizyczną skalą
wrażeń cieplnych. Środowisko komfortowe zawiera się w przedziale: –0, 5 < PMV <
+0, 5 (90% ankietowanych uważa środowisko za komfortowe).
3. PROGRAM
Podstawowa część programu umożliwia wprowadzanie niezbędnych danych pomiarowych i parametrycznych (równanie 1) oraz przeliczanie odpowiednich wzorów
i jednostek. Przykładem jest parametr fcl podawany w jednostkach [clo] a w obliczeniach, w jednostkach [m2K/W] a także konieczność przeliczania wilgotności względnej powietrza na ciśnienie pary wodnej. Specjalnej procedury iteracyjnej wymaga
obliczenie parametru tcl. Do zbudowania programu wykorzystano wiele struktur, np.
Case Structure, While Loop, Build Array, Formula Node, Write To Spreadsheet, Array Subset, Time Delay. Po wykonaniu obliczeń wszystkie dane są zapisywane do
pliku i wyświetlane na panelu czołowym (rys. 1). Pomiary są wykonywane w zadawanych odstępach czasowych. Liczba serii pomiarów (próbek) jest ograniczona jedynie
pojemnością pamięci i wpływa na szybkość wykonywania programu. Na panelu czołowym sygnalizowane są nieprawidłowe stany danych (wykraczające poza zakresy
określone w normie).
Rys. 1. Panel czołowy
Fig. 1. Front panel
547
Dane tabelaryczne umożliwiają tworzenie wykresów czasowych i zależności PPD
= f(PMV).
Na podstawie obliczonej wartości PMV wskazywane jest odniesienie do 7 stopniowej psychofizycznej skali wrażeń cieplnych (wykres słupkowy). W celu poprawienia czytelności do opisu tabeli wykorzystano duże litery (ten zabieg jest stosowany też
w innych specjalizowanych programach).
4. WYNIKI
Poprawność działania programu została zweryfikowana badaniami symulacyjnymi.
Na podstawie wielu wprowadzanych danych w panelu czołowym program wygenerował wykres podstawowy zależności PPD = f(PMV) pokazany na rysunku 2. Wykres
odpowiada wynikom badań podstawowych zamieszczonych w [2] (różnica kształtu
wynika z innego skalowania osi PPD). Przeprowadzono także badania w ograniczonym zakresie zmian danych wejściowych, co odpowiada generowaniu wykresów będących fragmentami wykresu z rysunku 2.
Rys. 2. Wykres PPD = f(PMV)
Fig. 2. Graph PPD = f(PMV)
548
Dane pomiarowe wielkości wejściowych pobrane zostały z pliku. Niepewność wyniku
pomiaru realizowanego za pomocą przyrządu wirtualnego zależy od części sprzętowej
i od efektywności algorytmów stosowanych do obliczeń (oprogramowanie). Składowa
niepewności wynikająca z algorytmu numerycznego (równanie pomiarowe 1) wynosi
≈ 0,007%, i zależy od liczby danych oraz dokładności obliczeń iteracyjnych.
Do oszacowania niepewności pomiaru uB(PMV) pochodzącej od części sprzętowej
przyjęto parametry charakterystyczne dla czujnika KTY81, termohigrometru LB706
i anemometru sferycznego HT412. Za pomocą przygotowanego oprogramowania ob∂PMV ∂PMV ∂PMV
liczono współczynniki wrażliwości:
,
,
i niepewność uB(PMV)
∂t a
∂pa
∂var
≈ 0,67%. Uzyskane rezultaty wskazują na dominującą składową niepewności z części
sprzętowej systemu pomiarowego
5. PODSUMOWANIE
Opisane oprogramowanie może zostać wykorzystane do budowy rzeczywistego systemu pomiarowego po zastosowaniu odpowiedniej karty pomiarowej współpracującej
z czujnikami pomiarowymi. Wstępnie przystosowano program do współpracy z kartą
pomiarową USB 6009 o stałej niepewności typu B równej 14,7 mV, niezależnej od
parametrów badanego sygnału. Aktualnie program jest narzędziem obliczeniowym
umożliwiającym badanie i dokumentowanie skuteczności przyjętego rozwiązania instalacji HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning). Modelowanie środowiska
HVAC, jego kontrola i sterowanie jest realizowane za pomocą LabVIEW [12]. Uzupełnienie stosowanych w tym zakresie rozwiązań o ocenę komfortu cieplnego umożliwia poszerzenie wiedzy o mikroklimacie strefy przebywania ludzi i energochłonności obiektów. Opisane oprogramowanie zostanie rozszerzone o obliczenia niepewności
wyników pomiaru. Przeprowadzone doświadczenia wskazują na potrzebę wprowadzenia uzupełnień w programie o biblioteki zawierające wartości izolacyjności różnych zestawów odzieży i metabolizmu.
LITERATURA
[1] CHRUŚCIEL M., LabVIEW w praktyce, Wydawnictwo BTC, 2008.
[2] FANGER P.O., Komfort cieplny, Wydawnictwo Arkady, 1974.
[3] FERGUS N., PARSANS K., Special issue on thermal comfort standards, Energy and Buildings, 34
(2002), No. 6, 529–532.
[4] FOUNTAIN M., HUIZENGA C., A Thermal Sensation Prediction Software Tool for Use by the
Proffesion, ASHARE Transactions, Vol. 103 (1997), pt. 2, 130–136.
[5] KABZA Z., KOSTYRKO K., ZATOR S., ŁOBZOWSKI A., SZKOLNIKOWSKI W., Regulacja
mikroklimatu pomieszczenia, Agencja Wydawnicza PAK, 2005.
549
[6] LASKA M., Procedura tworzenia rozwiązania numerycznego do analizy mikroklimatu obiektów.
Praca doktorska, Politechnika Wrocławska, 2008.
[7] MELHADO M.A., BEYER P.O., HENSEN J.M., SIQUIERA L.F.G., The thermal comfort, the indoor environment control and the energy consumption in three types of operating rooms, Ninth International IBPSA Conference, (2005), 747–752.
[8] NIEKRAWIEC D., Znaczenie komfortu cieplnego oraz jego badania w salach audytoryjnych na
przykładzie sali koncertowej Filharmonii Opolskiej, Przegląd Elektrotechniczny, 83 (2007), nr 2,
122–126.
[9] PN-EN ISO 7730:2006(U), Ergonomia. Środowisko termicznie umiarkowane. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD
oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego.
[10] STROM-TEJSEN P., ŻUKOWSKA D., JANNA A., WYON D.P., Assessment of the thermal environment in a simulated aircraft cabin using thermal manikin exposure, International Conference on
Air Distribution in Rooms, (2007), Vol. 1, 227–235.
[11] TŁACZAŁA W., Komputerowa technika pomiarowa. Oprogramowanie wirtualnych przyrządów
pomiarowych, Agencja Wydawnicza PAK, 2002.
[12] www.ni.com
LabVIEW APPLICATION FOR ASSESSING THE THERMAL COMFORT
The aim of the research is to utilize the properties of LabVIEW environment in order to build instruments for the evaluation of the microclimate and thermal comfort. The designed programme allows entering relevant measurement data and additional parameters specified in the applicable legislation. On
this basis, the PMV (Predicted Mean Vote) and PPD (Predicted Percentage Dissatisfied) indices are
determined. The PMV index can be calculated from an equation, while the PPD index from an equation
or a graph. The programme monitors the accuracy of input data and signals any abnormal values of PMV
and PPD indices. All data and calculation results are presented in a tabular manner. Those results make it
possible to automatically create time and PPD = f(PMV) graphs. The programme’s advantage is a compact and simple design, and its correct functioning was confirmed by simulation studies. The obtained
results can be used to construct an instrument with classic, wireless, LAN or Internet DAQ.