Opracowanie metodyki wyznaczania średniej temperatury promieniowania za pomocą pomiarów instrumentalnych w środowisku miejskim

Projekt realizowany w ramach konkursu MINIATURA 5 NCN.

W badaniach komfortu cieplnego jako miarę termicznego wymiaru pola promieniowania wokół człowieka najczęściej wykorzystuje się koncepcję średniej temperatury promieniowania (Mrt – Mean radiant temperature), która traktuje łącznie wszystkie strumienie promieniowania długo- i krótkofalowego, na które narażone jest ludzkie ciało, a efekt ich odziaływania wyraża w stopniach Celsjusza (Fanger, 1970). Normy ISO7726 (1998) i VDI3787 (2008) określają w jaki sposób wartość tę można wyznaczyć instrumentalnie. Za najdokładniejszą i najbardziej wiarygodną metodę uznaje się zaproponowany przez Höppego (1992) zintegrowany sposób pomiaru Mrt za pomocą trzech bilansomierzy promieniowania skierowanych w 6 kierunkach. Jednakże metoda ta wymaga zastosowania bardzo kosztownego, mało poręcznego i trudnego w transporcie sprzętu pomiarowego, co ogranicza jej praktyczne wykorzystanie w trakcie wielopunktowych pomiarów  terenowych. Mrt można również wyznaczyć na podstawie temperatury termometru kulistego, który odzwierciedla konwekcyjną i radiacyjną wymianę ciepła wokół ciała człowieka. Jednakże standardowy, miedziany termometr kulisty o średnicy 15 cm, zaprojektowany pierwotnie do badań w pomieszczeniach, w środowisku zewnętrznym generuje błędy, wynikające ze zbyt wolnego czasu reakcji na dynamicznie zmieniające się warunki pogodowe. Stąd też coraz powszechniejsze na świecie jest wykorzystywanie aparatury niestandardowej – niskokosztowych, akrylowych termometrów kulistych (AGT). Celem projektu było wytworzenie akrylowych termometrów kulistych oraz dopracowanie metodyki wyznaczania Mrt z ich wykorzystaniem w środowisku miejskim, jak również zweryfikowanie ich aplikacyjności w badaniach komfortu termicznego w warunkach typowych dla klimatu Polski.

Pierwszym etapem projektu było skonstruowanie akrylowych termometrów kulistych, zbudowanych z piłeczek pingpongowych o średnicy 4 cm i grubości ścianki 0,4 mm, pomalowanych na kolor czarny i szary - RAL7001, z umieszczoną wewnątrz stalową sondą termoparową typu-T, podłączoną do rejestratora OM-EL-USB-TC (Ryc. 1). Wszystkie czujniki AGT poddano kontroli jednorodności wskazań w zakresie temperatury powietrza 10-35°C.

Ryc. 1 Akrylowe termometry kuliste (AGT) własnej konstrukcji

Następnie w okresie lipiec-wrzesień 2022 na terenie tzw. Miasteczka Wilanów, nowoczesnego osiedla mieszkaniowego w Warszawie przeprowadzono 10 kampanii pomiarowych Mrt za pomocą samodzielnie skonstruowanych akrylowych termometrów kulistych. Pomiarami objęto 15 punktów zlokalizowanych na terenach rekreacyjnych charakteryzujących się różnym SVF i udziałem powierzchni biologicznie czynnych oraz odmiennym sposobem zagospodarowania przestrzeni. Czujniki ustawiono nad powierzchniami czynnymi utworzonymi z różnych materiałów (tj. płyty marmurowe i kompozytowe, kora ogrodowa, trawnik, piasek). Każdego dnia w 3 lokalizacjach mierzono symultanicznie od rana do popołudnia podstawowe parametry meteorologiczne (temperaturę i wilgotność powietrza, prędkość wiatru oraz natężenie promieniowania całkowitego i odbitego), jak również  temperaturę czarnego i szarego AGT. Pomiary wykonywano na poziomie 1.1 m, który odpowiada wysokości geometrycznego środka ciała człowieka. Pomiarom parametrów metorologicznych towarzyszyły badania ankietowe komfortu termicznego, prowadzone wśród mieszkańców osiedla.

Dodatkowo w sierpniu 2022 przeprowadzono również 6 kampanii pomiarowych na obszarach zieleni parkowej w Warszawie, których celem było porównanie pomiarów Mrt wykonanych za pomocą ATG z pomiarami wykonanymi tradycyjnym miedzianym, 15-centymetrowym termometrem kulistym (STG).

Zebrane dane pomiarowe posłużyły następnie do wyznaczenia średniej temperatury promieniowania. Mrt obliczono zgodnie z normą ISO 7726, jak również stosując dostępne wzory korekcyjne dla termometrów kulistych (opracowane przez Thorsson i in. (2007) oraz Vanos i in. (2021)).