Cơ thể con người bao gồm khoảng 100 nghìn tỷ tế bào (Hình 1). Một tế bào là đơn vị cơ bản nhất của cấu trúc và chức năng trong các sinh vật sống.

Các tế bào thực hiện các quá trình giữ cho các sinh vật sống và trong cơ thể con người có nhiều loại khác nhau như tế bào thần kinh, tế bào máu và tế bào xương. Mô là một nhóm các tế bào tương tự thực hiện cùng chức năng. Có bốn loại mô cơ bản trong cơ thể của tất cả các loài động vật; mô biểu mô như da, hoạt động như một lớp bảo vệ và giao tiếp với môi trường, liên kết để kết nối mọi thứ với nhau, mô cơ (cơ thực hiện bất kỳ công việc cơ học bên ngoài nào) và mô thần kinh để nhận biết và truyền đạt thông tin. Các cơ quan như dạ dày, tim, não và phổi là các cấu trúc bao gồm các loại mô khác nhau. Trái tim về cơ bản là một máy bơm vận chuyển máu liên tục qua cơ thể bạn và tiếp xúc với cả bốn loại mô. Mỗi cơ quan trong cơ thể bạn là một phần của hệ thống cơ quan, trong đó có mười hai cơ thể người. Ví dụ, trái tim là một phần của hệ thống tuần hoàn, mang oxy và các vật liệu khác trên khắp cơ thể.

Thực phẩm (carbohydrate, chất béo và protein) được đốt cháy từ từ để cho phép trao đổi chất, các quá trình vật lý và hóa học trong con người cần thiết để duy trì sự sống. Trong các quá trình này, các phân tử lớn được chia thành các phân tử nhỏ hơn và các phân tử khác cần thiết cho cơ thể được tạo ra. Trong các phản ứng hóa học này, năng lượng được giải phóng và hấp thụ, trong khi lõi bên trong được duy trì ở nhiệt độ không đổi khoảng 37°C.

Con người, giống như tất cả các sinh vật khác, nhận thức thế giới thông qua một bộ lọc được phát triển bởi quá trình tiến hóa. Có những bước sóng ánh sáng và tần số âm thanh mà các động vật hoặc côn trùng khác có thể nhìn thấy và nghe thấy mà chúng ta vẫn không biết. Trong thiết kế các tòa nhà, chúng ta thường quan tâm đến việc tạo điều kiện thoải mái cho con người, điều đó có nghĩa là chúng ta đang đối phó với phạm vi ánh sáng và âm thanh mà con người cảm nhận được và cảm giác nhiệt do nhiệt độ và độ ẩm cảm nhận từ cơ thể con người. Con người, giống như phần lớn các loài động vật có vú và chim và không giống như hầu hết các loài bò sát, cá và côn trùng, là một sinh vật ấm áp, và do đó cần phải duy trì nhiệt độ bên trong không đổi bất kể điều kiện môi trường mà anh ta tìm thấy chính mình (homoeostocation). Điều này đòi hỏi một sự cân bằng tạo nhiệt trong cơ thể và mất nhiệt cho môi trường. Tốc độ trao đổi chất cơ bản là tốc độ trao đổi chất cần thiết để duy trì các chức năng cơ thể cơ bản khi bụng đói mà không thực hiện bất kỳ hoạt động nào. Độ lớn thay đổi từ khoảng 4200 kJ (1000 Calo) đối với một phụ nữ cao tuổi đến khoảng 8400 kJ (2000 Calo) mỗi ngày đối với một nam giới trẻ.

Điều này tương đương với tốc độ tiêu thụ năng lượng trong khoảng từ 50 đến 100 W. Một phần lớn năng lượng này được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt trong cơ thể và mất do truyền nhiệt ra môi trường. Tốc độ hoạt động tăng dẫn đến tăng năng lượng trong cơ thể và tổng nhiệt sinh ra bằng tốc độ trao đổi chất cơ bản cộng với tốc độ trao đổi chất do hoạt động. Tỷ lệ sản xuất nhiệt tăng này thay đổi từ khoảng 25% khi ngồi yên lặng đến hơn 1000% cho các hoạt động thể thao rất chuyên sâu. Với mức độ hoạt động tăng, tốc độ ăn vào cũng phải tăng để duy trì cân bằng năng lượng. Mặt khác, nếu ăn nhiều thực phẩm hơn mức cần thiết, tức là nhiều năng lượng hơn nhu cầu của cơ thể cho các hoạt động được thực hiện, năng lượng này sẽ được lưu trữ trong cơ thể dưới dạng chất béo. Sự sinh nhiệt là kết quả của quá trình trao đổi chất được định lượng trực tiếp trong Watts hoặc với đơn vị Met đặc biệt (Hình 2). Một người gặp tương đương 58 W/m² dựa trên diện tích bề mặt da bên ngoài của cơ thể. Diện tích da cơ thể người thay đổi từ khoảng 1.5 đến 2m². Sự sinh nhiệt của một người trung bình khi nghỉ ngơi bằng 1 Met. Giả sử diện tích bề mặt trung bình là 1.75 m², điều này cho công suất nhiệt xấp xỉ 102 W (tốc độ trao đổi chất khi nghỉ ngơi này cao hơn tốc độ trao đổi chất cơ bản). Tùy thuộc vào hoạt động được thực hiện, một phần năng lượng được tạo ra được chuyển đổi thành công việc, nhưng cuối cùng tất cả năng lượng này được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt trong không gian.

Hình 1: Con người

Cơ thể con người phải liên tục truyền nhiệt ra môi trường để duy trì nhiệt độ lõi không đổi, do đó ngay cả khi chúng ta sưởi ấm không gian trong mùa đông để đạt được sự thoải mái về nhiệt, thực tế chúng ta quan tâm đến việc giảm sự làm mát của cơ thể con người xuống mức Phù hợp với sự sinh nhiệt bên trong. Nếu nhiệt này không liên tục được loại bỏ khỏi cơ thể, nhiệt độ lõi tăng lên đến mức có hại với các hậu quả tiềm ẩn. Quá trình duy trì nhiệt độ bên trong cơ thể không đổi, không phụ thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh, được gọi là điều chỉnh nhiệt. Hệ thống điều khiển, điều chỉnh sự cân bằng nhiệt trong cơ thể con người, bao gồm các thụ thể lạnh cục bộ phân bố trên toàn bộ bề mặt da (Điểm đặt dưới khoảng 33°C) và các thụ thể nhiệt trung tâm trong não (điểm đặt trên 37°C). Da, cơ quan lớn nhất trong cơ thể con người, đóng vai trò chính trong quá trình này.

Hình 2: Tạo nhiệt cho các hoạt động khác nhau

Hình 3: Da người

Hình 4: Điều hòa lưu lượng máu

Da, với độ dày xấp xỉ 2.5 mm, tạo thành giao diện chính giữa cơ thể và môi trường (Hình 3). Nó cũng là nguồn cảm giác chính. Để duy trì nhiệt độ cơ thể không đổi, nhiệt được truyền đến bề mặt da thông qua lưu lượng máu và thải ra môi trường trước khi quay trở lại lõi của cơ thể. Lưu lượng máu đến bề mặt da được điều chỉnh bởi hệ thống thần kinh theo yêu cầu truyền nhiệt (Hình 4). Với hoạt động tăng lên, sự sinh nhiệt trong lõi tăng lên và do đó lưu lượng máu đến bề mặt cơ thể bên ngoài được tăng lên để cân bằng việc sản xuất nhiệt dư thừa với sự gia tăng mất nhiệt cho môi trường. Sự gia tăng cần thiết về tốc độ mất nhiệt do tăng hoạt động hoặc môi trường xung quanh ấm hơn được thực hiện bởi một quá trình được gọi là giãn mạch. Các mạch dưới da tăng trong khu vực cắt ngang để cho phép lưu lượng máu tăng. Ở một số người, sự xuất hiện rõ ràng, vì da của họ trở nên đỏ hơn. Trong điều kiện lạnh, sự co mạch của các mạch dưới da hạn chế lưu lượng máu để giảm mất nhiệt và da trở nên nhạt màu hơn. Lưu lượng máu càng cao, nhiệt độ da càng cao và dẫn nhiệt ra môi trường, miễn là nhiệt độ của môi trường xung quanh thấp hơn nhiệt độ cơ thể.

Nhiệt độ da trung bình của một người ít vận động trong môi trường thoải mái là từ 32 đến 34°C, trong khi đó nhiệt độ lõi vẫn gần như không đổi ở khoảng 37°C. Trong điều kiện thay đổi, bề mặt bên ngoài của cơ thể thay đổi nhiệt độ để đáp ứng với môi trường xung quanh, trong khi nhiệt độ trong lõi không đổi (Hình 5). Trong điều kiện lạnh, máu được chuyển ra khỏi các bộ phận ngoại vi của cơ thể, khiến nhiệt độ của chúng giảm xuống.

Hình 5: Nhiệt độ lõi và vùng nhiệt độ, cơ thể con người

Sự hình thành của da ngỗng là một phản ứng ngược với thời gian chúng ta có nhiều lông trên cơ thể, sau đó đứng lên tạo thành một lớp không khí cách nhiệt để giảm mất nhiệt. Rùng mình và ra mồ hôi là những hình thức điều nhiệt khác. Khi môi trường quá lạnh, cơ thể sẽ cố gắng đạt được sự cân bằng bằng cách tăng chuyển động cơ bắp không tự nguyện và do đó sinh nhiệt. Khi một môi trường quá nóng, tốc độ mồ hôi cao hơn được sử dụng trong nỗ lực tăng tổn thất nhiệt do bốc hơi.

Quá trình liên tục sản xuất nhiệt trong lõi cơ thể (phụ thuộc vào hoạt động) và mất nhiệt từ cơ thể (phụ thuộc vào điều kiện môi trường) để duy trì nhiệt độ cơ thể lõi không đổi tạo thành cơ sở của sự hiểu biết về tiện nghi nhiệt. Trong môi trường nhiệt độ thoải mái, sự cân bằng giữa sinh nhiệt trong cơ thể và mất nhiệt ra môi trường xung quanh được duy trì bằng cách điều hòa lưu lượng máu qua bề mặt da, mà không cần cơ thể phải dùng đến các biện pháp như run hoặc đổ mồ hôi.

Cơ thể mất nhiệt bởi cả ba chế độ truyền nhiệt hợp lý và cũng do bốc hơi hơi nước từ da và phổi. Mất nhiệt từ một người ít vận động ở nhiệt độ phòng thấp hơn chủ yếu là do bức xạ và đối lưu. Ở nhiệt độ cao hơn, sự mất nhiệt tiềm ẩn do sự bốc hơi của độ ẩm từ da (mồ hôi) tăng (Hình 6). Do đó, tiện nghi nhiệt trong không gian phụ thuộc vào nhiệt độ không khí trong không gian (đối lưu), nhiệt độ bề mặt xung quanh (bức xạ) và độ ẩm tương đối (bay hơi) (Hình 7). Sự chuyển động không khí xung quanh cơ thể ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt đối lưu và mất nhiệt do bay hơi. Những thông số này phần lớn xác định những gì được gọi là tiện nghi nhiệt toàn cầu. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến sự thoải mái nhiệt cục bộ và cũng rất quan trọng trong việc đạt được một môi trường nhiệt thoải mái. Chúng bao gồm bức xạ mặt trời trực tiếp, bản nháp do chuyển động không khí quá mức, đặc biệt nếu không khí mát mẻ, bức xạ nhiệt không đối xứng, tiếp xúc trực tiếp với bề mặt nóng hoặc lạnh (ví dụ: Sàn nhà nếu đi chân trần) và độ dốc nhiệt độ dọc.

Hình 6: Mất nhiệt từ cơ thể con người

Hình 7: Các yếu tố cho sự thoải mái nhiệt trong một không gian

Như chúng ta sẽ thấy ngay, nhiệt độ không khí và nhiệt độ của các bề mặt xung quanh có tầm quan trọng gần như bằng nhau. Nhiệt độ bức xạ trung bình được định nghĩa là nhiệt độ của vỏ bọc tưởng tượng trong đó sự truyền nhiệt bức xạ với cơ thể con người sẽ chính xác bằng với sự truyền nhiệt bức xạ thực tế trong không gian được xem xét.

Hoạt động hoặc kết quả nhiệt độ khô được định nghĩa là nhiệt độ của vỏ bọc tưởng tượng trong đó sự truyền nhiệt với cơ thể con người sẽ chính xác bằng với sự truyền nhiệt thực tế bằng bức xạ và đối lưu trong không gian được xem xét. Do đó, đây là một biện pháp hiệu quả hơn nhiều so với việc chỉ rõ nhiệt độ không khí, tùy thuộc vào nhiệt độ bề mặt trung bình của môi trường xung quanh có thể đưa ra đánh giá về sự thoải mái không chính xác.

Phương trình cân bằng nhiệt cơ bản cho một người trong một không gian, ví dụ như trong một văn phòng (Hình 8). Ở điều kiện trạng thái ổn định, nhiệt tạo ra bởi quá trình trao đổi chất và hoạt động bằng với nhiệt mất do đối lưu, bức xạ và bay hơi. Năng lượng nhiệt cần thiết để làm ấm không khí chúng ta hít thở và nhiệt bị mất do dẫn đến các bề mặt chúng ta tiếp xúc bị bỏ qua, vì hiệu quả trong hầu hết các trường hợp là không đáng kể. Đối lưu và bức xạ tạo thành sự mất nhiệt hợp lý, tức là nhiệt gây ra sự thay đổi nhiệt độ.

Hình 8: Điều kiện tiện nghi nhiệt

Để đơn giản, chúng ta giả định rằng nhiệt độ không khí trong phòng và nhiệt độ bức xạ trung bình là bằng nhau. Nếu không, chúng ta sẽ cần tính toán tổn thất nhiệt bằng bức xạ và đối lưu riêng biệt. Giả sử tỷ lệ trao đổi chất là 1.2 met cho công việc văn phòng và diện tích lớp vỏ 1.75 m², nhiệt lượng sinh ra có thể được tính là 122W.

Tiếp theo, chúng ta chuyển sang tổn thất nhiệt. Các tổn thất nhiệt hợp lý có thể được tính theo cách tương tự như tổn thất nhiệt từ tòa nhà như được mô tả trong chương hai, cụ thể là sản phẩm của diện tích bề mặt bên ngoài và chênh lệch nhiệt độ chia cho tổng điện trở nhiệt. Động lực của sự khác biệt nhiệt độ trong trường hợp này là sự khác biệt giữa nhiệt độ lớp vỏ và nhiệt độ của căn phòng. Khu vực được lấy là khu vực lớp vỏ bên ngoài. Sức cản nhiệt là do quần áo, hoạt động như một hình thức cách nhiệt và sức cản của lớp không khí trên bề mặt bên ngoài của cơ thể mặc quần áo. Độ bền nhiệt của quần áo được đo bằng Clo, theo đó một Clo tương đương với điện trở 0.155 m²K/W. Giá trị tiêu biểu là 0 Clo cho cơ thể trần trụi, 0.5 Clo cho trang phục công sở vào mùa hè, 1 Clo cho trang phục công sở vào mùa đông và 2 Clo cho quần áo ngoài trời trong thời tiết mùa đông lạnh. Chúng tôi sẽ giả sử 1 Clo cho quần áo. Điện trở của lớp không khí là nghịch đảo của hệ số truyền nhiệt kết hợp do đối lưu và bức xạ. Giả sử các giá trị 3 W/m²K và 5 W/m²K tương ứng cho đối lưu và bức xạ, điện trở của lớp không khí được tính là 0.125 m²K/W. Điện trở này nối tiếp với điện trở do quần áo và, như đã thấy trong chương hai, tổng điện trở bằng tổng của hai điện trở riêng lẻ này, cho giá trị 0.28 m²K/W.

Cơ thể con người chủ yếu bao gồm nước, và lượng nước mất hàng ngày khoảng 2 đến 2.5 lít cần phải được bổ sung liên tục bằng cách ăn và uống. Trong một môi trường nhiệt độ thoải mái, khoảng 1.2 lít hoặc 1200 gram lượng nước mất này là do hơi thở và sự bốc hơi từ da, theo đó cả hai quá trình chiếm tỷ lệ gần bằng nhau. Điều này dẫn đến việc mất nhiệt tiềm ẩn do bốc hơi độ ẩm khoảng 30 W cho người của chúng ta. Do đó, ẩn số duy nhất trong phương trình cân bằng nhiệt là chênh lệch nhiệt độ giữa da và phòng, sau đó có thể được tính là xấp xỉ 14.7 K. Nếu chúng ta giả sử nhiệt độ da là 34°C, nhiệt độ phòng là khoảng 19°C.

Chúng ta có thể lặp lại tính toán cho các tình huống khác. Thay đổi điện trở nhiệt cho quần áo thành 0.5 Clo cho quần áo công sở vào mùa hè cho nhiệt độ phòng khoảng 23°C cho trường hợp mùa hè. Giả sử tốc độ trao đổi chất thấp hơn là 1 Met cho vị trí nghỉ ngơi và không có quần áo nào cho nhiệt độ phòng khoảng 29°C, để mô hình hóa tình huống trong một bể bơi. Những tính toán này tất nhiên là một cách tiếp cận rất đơn giản đối với những gì trong thực tế là một tình huống rất phức tạp. Tuy nhiên, cách tiếp cận này cung cấp cái nhìn sâu sắc có ý nghĩa về các cơ chế liên quan và tầm quan trọng của các thông số khác nhau. Nhiệt độ tính toán gần với các giá trị thực tế được sử dụng trong thực tế và được tìm thấy trong các mã và tài liệu liên quan. Theo cách tiếp cận ở trên, tổn thất nhiệt từ nhân viên văn phòng do bức xạ chiếm gần một nửa tổng tổn thất nhiệt, trong khi đối lưu chỉ chiếm dưới 30%, có nghĩa là trong các điều kiện giả định, nhiệt độ của các bề mặt xung quanh quan trọng hơn nhiệt độ không khí về mặt thoải mái. Với sự chuyển động không khí gia tăng trong một không gian, mặt khác, sự truyền nhiệt do sự đối lưu tăng lên và nhiệt độ không khí trở nên quan trọng hơn. Ở nhiệt độ cao hơn, sự mất nhiệt do bay hơi tăng đáng kể.

Độ ẩm tương đối thấp có thể dẫn đến các vấn đề với việc tăng thu bụi, sạc tĩnh điện trên bề mặt và làm khô màng nhầy. Thông thường, giới hạn dưới 30% được sử dụng trong thiết kế hệ thống HVAC để tránh các vấn đề thuộc về bản chất này. Do thực tế là một tỷ lệ đáng kể sự mất nhiệt cần thiết từ cơ thể con người ở nhiệt độ không khí cao hơn là do bay hơi, độ ẩm tương đối cao ở nhiệt độ cao hơn có thể dẫn đến sự khó chịu. Ngưỡng trên 12 g/kg thường được sử dụng trong thiết kế HVAC là giới hạn trên của độ ẩm ở nhiệt độ trong nhà cao hơn. Các giá trị tiêu chuẩn cho nhiệt độ phòng phẫu thuật cho các tòa nhà văn phòng, nhưng cũng cho một số lượng lớn các loại công trình khác, thường được chọn trong khoảng 20°C đến 22°C (mùa đông) và 22°C đến 26°C (mùa hè). Ở nhiều quốc gia, điểm đặt nhiệt độ trong nhà mùa hè ở phạm vi cao hơn, ví dụ 25 đến 26°C, được chọn vì lý do hiệu quả năng lượng. Sự di chuyển không khí quá mức có thể gây ra sự khó chịu về nhiệt, đặc biệt là khi không khí chuyển động ở nhiệt độ thấp hơn. Để tránh các bản nháp trong không gian bị chiếm đóng, tốc độ không khí nên được giữ dưới mức khoảng 0.15 m/s.

Hình 9 cho thấy sự tích tụ của một vùng thoải mái được đơn giản hóa trên biểu đồ tâm lý dựa trên những điều trên. Lưu ý rằng giới hạn trên của độ ẩm tương đối 60% được hiển thị. Trong phạm vi nhiệt độ thấp hơn (điều kiện thiết kế vào mùa đông), độ ẩm tương đối cao hơn sẽ không dẫn đến khó chịu về nhiệt; tuy nhiên, giới hạn trên từ 60% đến 70% được sử dụng để giảm thiểu rủi ro phát triển nấm mốc. Các vấn đề quan trọng khác liên quan đến môi trường trong nhà là chất lượng không khí (xem phần tiếp theo), ánh sáng (số lượng, chất lượng, kiểm soát ánh sáng chói, lượng ánh sáng ban ngày) và âm học (chống ồn, âm học phòng). Kinh nghiệm cũng cho thấy rằng sự kiểm soát cá nhân đối với môi trường cá nhân rất quan trọng đối với sự thoải mái về nhiệt. Ví dụ, các cửa sổ có thể hoạt động cung cấp cho người cư ngụ một số quyền kiểm soát đối với môi trường của họ và phương tiện kết nối với môi trường bên ngoài này có thể cho phép dung sai lớn hơn đối với phạm vi rộng hơn của các điều kiện môi trường, nội bộ.

Tiện nghi nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào nhận thức. Nếu chúng ta không có ý thức về môi trường nhiệt và không muốn thay đổi nó theo một cách nào đó, chúng ta cảm thấy thoải mái. Như chúng ta đã thấy ở trên, các mức độ khác nhau của quần áo ảnh hưởng đến sự mất nhiệt từ cơ thể và do đó thoải mái về nhiệt. Điều này có ý nghĩa đối với thiết kế tòa nhà liên quan đến loại hình tòa nhà, bối cảnh văn hóa,... Bên cạnh các thông số môi trường được mô tả ở trên và các thông số vật lý cá nhân (tỷ lệ trao đổi chất và quần áo), nhận thức của con người về sự ấm áp hoặc lạnh lẽo cũng phụ thuộc vào các yếu tố tâm lý như mức độ mong đợi, mức độ hài lòng chung, cần sự tập trung,…

Hình 9: Vùng tiện nghi trên biểu đồ độ ẩm

Không khí trong khí quyển, đặc biệt là ở các khu vực đô thị, chứa cả chất gây ô nhiễm dạng khí và hạt. Để đạt được mức chất lượng không khí trong nhà chấp nhận được, những chất ô nhiễm này có thể phải được loại bỏ bằng cách lọc. Các chất ô nhiễm khác xảy ra trong không gian xây dựng do con người, động vật, quy trình và vật liệu; những thứ này phải được loại bỏ khỏi không gian, thường là thông qua hệ thống thông gió sử dụng không khí ngoài trời và ít phổ biến hơn thông qua hệ thống lọc hoặc làm sạch không khí. Một số chất gây ô nhiễm khí được con người coi là mùi. Những người khác, bao gồm một số trong những người gây ra nguồn nguy hiểm lớn nhất cho người cư ngụ, không được phát hiện bằng mũi của con người, chẳng hạn như carbon monoxide, radon và các vi sinh vật truyền nhiễm. Nồng độ CO₂ trong không gian tòa nhà thường được sử dụng để đo chất lượng không khí. Ngưỡng được sử dụng là khoảng 1000 ppm (phần triệu), dựa trên công việc được thực hiện vào thế kỷ XIX bởi Maxvan Pettenkofer, người tiên phong trong lĩnh vực Hygiene hiện đại. CO₂, như chúng ta đã thấy, một sản phẩm phụ thông thường của tất cả các quá trình đốt cháy và do đó cũng có mặt trong không khí thở ra từ con người do quá trình đốt cháy chậm. Ở các mức độ thường xảy ra trong các không gian xây dựng, ngay cả trong các không gian có mức độ thông gió rất thấp, CO₂ thường không gây hại cho con người. Nó được sử dụng như một chỉ số phù hợp về chất lượng không khí, dựa trên các giả định rằng con người là nguồn gây ô nhiễm chính trong không gian và mức độ chất ô nhiễm trong không gian tỷ lệ thuận với lượng khí thải từ con người và do đó là mức độ CO₂. Các nguồn gây ô nhiễm khí khác trong không gian xây dựng điển hình bên cạnh con người là vật liệu xây dựng, đồ nội thất và thiết bị, phát ra cái gọi là hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC). Đây là những chất, do nhiệt độ sôi tương đối thấp ở nhiệt độ phòng, bay hơi hoặc thăng hoa từ vật liệu vào không khí trong phòng. Một lĩnh vực đặc biệt quan tâm cho sự phát triển của các tòa nhà bền vững trong tương lai là sự phát triển và đặc điểm kỹ thuật của vật liệu xây dựng, phụ kiện, đồ nội thất, thiết bị, vv không sử dụng các vật liệu đó, cho phép đạt được mức chất lượng không khí trong nhà tốt trong không gian với tỷ lệ thông gió thấp hơn và do đó nhu cầu năng lượng thấp hơn.

Không khí ngoài trời cũng chứa các hạt phát sinh từ giao thông, xây dựng hệ thống sưởi ấm và công nghiệp. Các hạt khác được phát ra bởi con người, động vật, quy trình và vật liệu trong không gian tòa nhà, bao gồm vi khuẩn, vi rút và các chất gây dị ứng. Một nguồn thảo luận chính ở nhiều thành phố châu Âu vào thời điểm hiện tại là nồng độ khối lượng hạt PM10 hoặc bụi mịn trong đó mức độ tập trung khối lượng hàng ngày và hàng năm cho phép thường xuyên bị vượt quá. Đây là những hạt có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 10 micromet và do đó đủ nhỏ để có thể hít vào và lắng đọng trong phổi, có khả năng gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Trong các không gian xây dựng, các hạt có kích thước này và nhỏ hơn có xu hướng lơ lửng trong không khí và di chuyển với các luồng không khí phổ biến qua các không gian tòa nhà. Các hạt lớn hơn có xu hướng tích tụ trên các bề mặt trong không gian dưới dạng bụi. Nhìn chung, việc nghĩ ra và sử dụng các hệ thống lọc để loại bỏ các chất ô nhiễm dạng hạt dễ dàng hơn nhiều so với các chất ô nhiễm dạng khí.

Các triệu chứng liên quan đến chất lượng không khí kém trong không gian được biết đến; Mệt mỏi, khó thở, thiếu tập trung, đau đầu. Bạn có thể đã trải nghiệm điều này tại một số thời điểm trong cuộc sống của bạn. Cảnh tượng mọi người ngủ thiếp đi trong các hệ thống giao thông công cộng, máy bay, giảng đường, vv thường là kết quả của chất lượng không khí xấu. Thường thì bạn sẽ nhận thấy rằng chất lượng không khí chỉ kém sau khi bạn rời khỏi một không gian trong một thời gian ngắn và quay trở lại, ví dụ như đến một phòng họp. Như đã đề cập ở trên, nồng độ CO₂ trong không khí trong phòng thường không tăng trên mức nguy hiểm. Tuy nhiên, vì nó dễ đo lường được và vì nó là một chỉ số tương đối tốt về mức độ ô nhiễm không khí chung trong không gian nơi nguồn ô nhiễm không khí chính là con người, nên nó thường được sử dụng trong thực tế để kiểm soát lượng không khí cung cấp trong các khái niệm sử dụng nhu cầu - Kiểm soát thông gió. Chiến lược này có hiệu quả, miễn là sự gia tăng nồng độ CO₂ và các mùi và chất ô nhiễm khác trong không khí tỷ lệ thuận với nhau ít nhiều trực tiếp với nhau.

Hình 10: Phương trình vi phân cho nồng độ CO₂ trong không gian thông gió

Theo cách tương tự như cách chúng tôi xác định nhiệt độ tối ưu cho sự thoải mái nhiệt từ các nguyên tắc đầu tiên, bây giờ chúng tôi sẽ tính toán tốc độ không khí cung cấp ngoài trời cần thiết cho thông gió. Hình 10 cho thấy đạo hàm của phương trình vi phân tuyến tính bậc nhất không đồng nhất chi phối cùng với giải pháp của nó cho một không gian có hệ thống thông gió và con người là nguồn CO₂. Trong một khoảng thời gian chênh lệch, thể tích CO₂ trong luồng không khí cung cấp, trừ đi trong luồng khí chiết, cộng với lượng khí thải CO₂ từ người trong không gian phải bằng với sự thay đổi thể tích CO₂ trong không gian. Như được hiển thị, một trường hợp đặc biệt phát sinh khi không có sự thay đổi không khí trong không gian: phương trình (1). Sử dụng phương trình này, chúng ta có thể tính toán mất bao lâu để nồng độ CO₂ tăng lên trên mức mong muốn - giả sử 1000 ppm - nếu không gian không được thông hơi. Chúng ta hãy giả sử nồng độ CO₂ ban đầu trong phòng họp 20 m² bằng với nồng độ bên ngoài, giả sử 400 ppm, và mười người, mỗi người thải ra 20 lít CO₂ mỗi giờ, vào phòng trong một cuộc họp ngắn. Sau một khoảng thời gian nhất định, nồng độ trong không gian sẽ tăng lên 1000 ppm. Nồng độ tại thời điểm này phải bằng với nồng độ ở điều kiện ban đầu cộng với lượng khí thải CO₂ tích lũy từ người dân trong khoảng thời gian này. Giải quyết thời gian cho khoảng 10 phút. Vì vậy, không có gì lạ khi bạn bắt đầu cảm thấy tồi tệ sau một thời gian ngắn trong một không gian như vậy mà không có thông gió đầy đủ. Sau 1.5 giờ, mức độ sẽ tăng lên hơn 5000 ppm. Ngay cả ở cấp độ này, sự tập trung không cực kỳ nguy hiểm đối với sức khỏe con người. Tuy nhiên, chất lượng không khí rất tệ và bạn có thể sẽ cảm nhận được mùi khó chịu và bắt đầu cảm thấy buồn ngủ.

Một trường hợp đặc biệt khác phát sinh trong trường hợp trạng thái ổn định: phương trình (3). Sử dụng cùng giới hạn trên cho nồng độ CO₂, chúng ta có thể xác định lượng không khí trong lành cần thiết để duy trì chất lượng không khí tốt trong không gian văn phòng. Hãy xem xét một không gian bị chiếm bởi một nhân viên văn phòng. Nếu nồng độ CO₂ trong không khí bên ngoài là 400 ppm thì tốc độ dòng khí ngoài trời tối thiểu cần thiết là bao nhiêu? Một lần nữa, giả sử người đó thải ra 20 lít CO₂ mỗi giờ và tốc độ dòng khí cung cấp bằng với tốc độ dòng khí thải, nồng độ CO₂ trong không khí rời khỏi không gian phải bằng với nồng độ CO₂ trong không khí đi vào không gian cộng với lượng khí thải từ người trong không gian. Việc giải quyết cho tốc độ dòng khí cung cấp cho khoảng 9 l/s mỗi người hoặc 33 m³/h. Giá trị này gần với giá trị thường được sử dụng trong thực tế và được đưa ra trong tài liệu và trong các mã có liên quan.

Hình 11: Nồng độ CO₂, các kịch bản khác nhau cho không gian văn phòng

Hình 12: Nồng độ CO₂, phòng học

Hình 11 hiển thị kết quả cho các kịch bản khác nhau trong không gian tòa nhà văn phòng được tính theo phương trình chung (2). Ảnh hưởng của mật độ chiếm chỗ khác nhau, thể tích phòng, nồng độ CO₂ ban đầu, tốc độ thay đổi không khí (số lần thay đổi không khí trong một giờ và có thể thấy nồng độ CO₂ của không khí cung cấp. Hình 12 cho thấy một tình trạng trong lớp học, trong đó phương tiện thông gió duy nhất là cửa sổ có thể thao tác trong thời gian nghỉ 15 phút giữa hai lớp. Sau khoảng thời gian chỉ 15 phút, ngưỡng 1000 ppm bị vượt quá và tăng lên giá trị 4000 ppm vào cuối thời gian của lớp, ngay cả sau khi cho phép một sự xâm nhập (rò rỉ không khí qua lớp vỏ tòa nhà).

Một sự tương tự có thể được rút ra giữa cơ thể người và một tòa nhà (Hình 13) với hệ thống kết cấu đại diện cho bộ xương và vỏ bọc tòa nhà bằng da người. Trong sự tương tự này, các dịch vụ cơ và điện đại diện cho các hệ thống mang lại cho cơ thể sự sống. Hệ thống thông gió có thể được so sánh với hệ thống hô hấp, hệ thống sưởi ấm với hệ thống tuần hoàn, hệ thống điện với hệ thần kinh cảm giác, vv Tương tự như nhìn vào cơ thể người trên bàn mổ, nếu bạn tháo trần treo trong một tòa nhà phức tạp hiện đại như sân bay và nhìn lên bạn sẽ thấy các hệ thống duy trì sự sống trong tất cả sự phức tạp của chúng. Các hệ thống MEP là một phần quan trọng của mọi tòa nhà hiện đại. Không có chúng, các tòa nhà về cơ bản là không thể sử dụng được. Bên cạnh nhu cầu năng lượng liên quan đến các hệ thống này, họ chịu trách nhiệm cho phần lớn chi phí vốn, chi phí vận hành và tổng khối lượng xây dựng. Đây là cái mà tôi đã gọi là "kiến trúc vô hình" của các tòa nhà của chúng ta và là một khía cạnh đáng để nghiên cứu chi tiết hơn trong nghiên cứu trong tương lai. Mỗi m3 khối lượng xây dựng cần phải được xây dựng, vận hành và bảo trì và do đó chuyển trực tiếp thành tiêu thụ năng lượng.

Hình 13: con người và toà nhà