Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 35

 Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 35

   Lata pięćdziesiąte przyniosły entuzjazm w dziedzinie wykorzystania energii atomowej.
W prototypie bombowca strategicznego Convair NB-36H "The Crusader" mającego przenosić ładunki jądrowe nad Blok Wschodni do wspomagania napędu turboodrzutowego zastosowano 16 tonowy reaktor jądrowy chłodzony powietrzem. Projekt zainicjowano w 1946 roku. Z uwagi na wysoki poziom promieniowania kabina załogi miała masywny ekran o wadze 11 ton. W okresie 1955-1957 samolot odbył 215 godzin lotów testowych z czego 89 godzin z napędem jądrowym. Zaletą samolotu był bardzo długi okres przebywania w powietrzu przy napędzie jądrowym. Z uwagi na rozwój konkurencyjnych rakiet balistycznych oraz dobre wyniki samolotów ponaddźwiękowych nowo wybrany prezydent Kennedy w 1961 roku skasował stagnujący program ( nie potrafiono rozwiązać problemów ) mimo iż zainwestowano w niego 1 mld dolarów. Był to jedyny samolot z napędem nuklearnym. Prototyp zezłomowano i pozostały jedynie dokumentacje i fotografie oraz użyteczne wyniki badań między innymi nad zastosowaniem w reaktorach ciekłych metali i soli.    
Sowiecki projekt transhimalajskiej linii kolejowej łączącej ZSRR z Indiami i Chinami w 1958 roku opisał organ prasowy Komunistycznej Partii Francji czyli dziennik "L'Humanite". Do ciągnięcia składów zaprojektowano  lokomotywy napędzane reaktorami atomowymi o mocy 12 000 KM zdolne pod górę  ciągnąć pociąg o ciężarze 3500 ton z prędkością 60 km/godz.
W Dearborn w Henry Ford Museum jest wczesny projekt  modelu Forda Nucleon z 1958 roku. Samochód o futurystycznym kształcie ( Powrót do przyszłości ? ) napędzany miał być turbiną z gorącym chłodziwem  z miniaturowego reaktora atomowego czyli identycznie jak w samolocie. Zasięg do wymiany paliwa jądrowego miał wynosić  5 tysięcy mil.
Entuzjazm do napędu jądrowego opadł ale trwale zastosowano go w łodziach podwodnych, lodołamaczach i lotniskowcach.
Natomiast w energetyce jądrowej z uwagi na efekt skali budowano coraz większe bloki w elektrowniach.
O ile w rozwój energetyki był powolny to rozwój przetwarzania informacji był szybki.
Z wizji samoloto – samochodów dla każdego oczywiście nic nie wyszło a prywatnymi helikopterami i odrzutowcami przemieszczają się miliarderzy generując dziesiątki ton dwutlenku węgla.
„Financial Times” 23.09.2021 przekonuje że rozwiązaniem dla energetyki Wielkiej Brytanii jest tylko energetyka jądrowa. Tylko ona pozwoli chronić klimat i normalnie funkcjonować przemysłowi i mieszkańcom.  Decydenci brytyjscy chcą przekonać społeczeństwo do składowania odpadów nuklearnych. Gazeta przyznaje, że nowe reaktory jądrowe w Wielkiej Brytanii są drogie. Hinkley Point C ma kosztować 22 mld funtów a koszt będzie niedługo (już w czasie budowy) przenoszony na odbiorców energii. Szacunki kosztu wygaszania  reaktorów brytyjskich oraz usuwania odpadów nuklearnych  mówią o 124 mld funtów przez 120 lat wynurzeniu i dekontaminacji  sektora jądrowego po starych reaktorach czyli ledwie 1 mld rocznie. Stowarzyszenie Przemysłu Jądrowego przekonują, że koszty będą spadać dzięki rozwojowi technologii, recyklingowi paliwa jądrowego, a także mogą być pokryte z budżetu operacyjnego reaktorów. W przypadku Hinkley Point C zarezerwowano trzy procent przychodu na ten cel co jest zupełnie wystarczające.
Zainteresowanie energetyką jądrową na Zachodzie było niewielkie dlatego ze paliwa kopalne były tanie. Wyczerpywanie się zasobów gazu ziemnego i ropy naftowej na Morzu Północnym wzmacnia
motywacje Brytyjczyków.

Warto zauważyć że bogate naturalne zasoby są w przypadku krajów biednych ich przekleństwem.
I tak islamska Gwinea mająca największe w świecie zasoby i eksportująca ( drugi producent w świecie ) boksyt z którego produkuje się cenne aluminium, jest strasznie biedna a PKB PC wynosi około 1000 dolarów. Ma też rudy żelaza, tytanu, niklu, diamenty i złoto. ONZ zalicza Gwineę do grupy najsłabiej rozwiniętych państw świata.  Polskie zasoby węgla kamiennego spowodowały że  determinacja w czasach PRL budowy elektrowni jądrowej była średnia mimo iż już przed 1970 rokiem wiedziano że dużą część kopalni węgla kamiennego jest trwale nierentowna.

 Oparty o paliwa kopalne łatwy rozwój cywilizacji Zachodu nie może dalej trwać jeśli dobrobyt ma objąć całą populacje a nie tylko garstkę uprzywilejowanych mieszkańców Zachodu.   

 Bardzo użyteczny dla gospodarki i społeczeństwa jest zintegrowany system transportowy. Trzeba wziąć pod uwagę cały czas od wyjścia podróżnego z domu do dotarcia do celu. Co dobrego wynika z tego że kraj może mieć dobrą sieć autostrad skoro na wydostanie się z zatłoczonego miast trzeba mnóstwo czasu. W Chinach założono że wyjazd z każdego punktu miasta na przyległą autostradę nie może przekroczyć 30 minut. W metropoliach ogromne znaczenie ma system transportu zbiorowego. W projektowaniu takich systemów używa się do optymalizacji programów komputerowych. Komputery czuwają też nad synchronizacją i bezpieczeństwem ruchu w systemie transportowym.
Im większe i jednocześnie bogatsze per capita miasto, tym więcej projektów inwestycyjnych dotyczy poprawy jakości transportu zbiorowego – wynika z oceny firmy konsultingowej McKinsey & Company, Urban transportation systems of 25 global cities, dotyczącej trendów w rozwoju infrastruktury miejskiej w świecie.
Po przetworzeniu danych z obszernych baz danych okazuje się że Singapur, Moskwa i Pekin mają wśród największych i najbogatszych metropolii najlepszą, najwygodniejszą i najbezpieczniejszą komunikację publiczną.

Własności obiektu stanowią nieprzekraczalną granice efektów regulacji i sterowania obiektem. Wcześniej wymieniono już systemy elektroniki – automatyki stosowane w domach.
Pod adresem 432 Park Avenue na Manhattanie na przecznicy miliarderów, stoi bardzo drogi, najwyższy w Nowym Jorku, 425 metrowy szczupły wysokościowiec. Lokale w nim sprzedano aż za 3.2 mld dolarów chociaż inwestycja kosztowała 1.2 mld dolarów. Mieszkańcy żądają od developera setek milionów dolarów odszkodowań za ujawnionych 1500 wad konstrukcyjnych i projektowych budynku,które "które zagrażają życiu i zdrowiu ludzi” To najwyższy budynek rezydencjalny na świecie. Wiatr kołysze budynkiem i już przy średniej pogodzie nie można w nim na wyższych piętrach zasnąć. Podczas wichury jest straszliwy hałas i wibracje. Były już wielokrotne zalania i pożary. Wrzucona do zsypu ( już w PRL z nich zrezygnowano ! ) butelka lub twardy przedmiot wywołuje potworny hałas. Zsyp też milionerom śmierdzi. Za mało jest też podziemnych garaży.
Oczywiście system elektroniczny może zapobiec pożarom instalacji elektrycznej i rozwijaniu się pożarów czy zalań ale większość wad jest niemożliwa do usunięcia bowiem wynika z wad konstrukcji budynku. Jeśli wytrzymałość konstrukcji budynku na to pozwala można by na ostatnim piętrze zastosować zbiornik z wodą celem odstrojenia rezonansu konstrukcji od maksimum spectrum energii porywów wiatrów. Odpowiednio użyta woda z takiego zbiornika umożliwia zduszenie każdego pożaru.
N.B Przestaje dziwić, że wieże WTC zapadły się po uderzeniu samolotów. Prawdopodobnie popełniono poważne błędy w projekcie i zaniedbania podczas budowy. 

W gospodarce niezakłóconej nierównymi podatkami i dotacjami ceny w walucie są uniwersalnym miernikiem wartości. Ich znajomość jest podstawą wszelkich udanych decyzji alokacyjnych i każdej optymalizacji systemu. Optymalizujemy łączną długość życia wszystkich !
W 2015 roku z Narodowego Funduszu Zdrowia wydzielono Agencje Oceny Technologii Medycznych i Taryfikacji do przeprowadzanie wyceny świadczeń. Jak podczas kontroli w 202o roku ustaliła NIK – taryfami objęto niespełna 17 % świadczeń opieki zdrowotnej finansowanych przez Narodowy Fundusz Zdrowia. „w procesie taryfikacji problemem była także jego długotrwałość. Szczegółowa analiza badanych raportów wykazała, że proces ten trwał średnio 192 dni, a w najdłuższym przypadku było to nawet 464 dni”  Pomimo teoretycznego wprowadzenia nowego systemu – prezesi NFZ i tak jak chcieli, arbitralnie zmieniali ceny świadczeń,, po uważaniu, wg wymyślonych przez siebie kryteriów – i przypadków takich dotyczących z reguły drogich świadczeń wykryto co najmniej kilkanaście. Tylko w ciągu ostatnich trzech lat resort zdrowia mimo ustawowego obowiązku nie wprowadził 54 taryf przedstawionych przez Agencję i odpowiednio zaopiniowanych, bo… nie. Urzędnicy ministerstwa mieli w tej sprawie inne zdanie. Łącznie zaś w ten sposób wstrzymano 138 projektów taryf, np. odmawiając ich opublikowania do konsultacji bez podania powodu.
Nic dziwnego że w nieoptymalnym, niefunkcjonalnym systemie „ochrony zdrowia” nadumieralność związana z epidemią Covid-19 wyniosła aż rekordowe 160 tysięcy Polaków.

Gwałtowny po - pandemiczny wzrost popytu na produkty i towary chińskie ( także zagraniczny ) spowodował wzrost konsumpcji energii elektrycznej przez producentów, której zaczęło brakować w obszarach północno  - wschodnich i południowo wschodnim regionie Kantonu. Dodatkowo Chiny chcą sprostać celom emisyjnym i najgorsze stare elektrownie węglowe są wyłączane. Mimo iż wyłączenia energii  są planowe to niedziałające windy zaskakują uwięzionych, nie działa sygnalizacja świetlna na ulicach w czasie szczytu i brak jest ogrzewania. Niedobory dotykają część fabryk, które są zmuszone zmniejszyć lub nawet wstrzymać produkcję jak w  zakładach Apple i Tesla.  Mieszkańcy prowincji Kanton zostali poproszeni o ograniczenie korzystania z klimatyzacji ale niewiele to dało. Bank Nomura we wrześniu 2021 ściął już swoje prognozy wzrostu PKB Chin na cały 2021 rok do 7,7 z 8,2 %, w związku z problemami z energią.

Oczywiście nie należy wyważać „otwartych drzwi” i korzystać z dostępnych narzędzi. Na trop potrzebnego algorytmu czy metody może nas naprowadzić pokaz Demo. Jednak prawie zawsze okazuje się że najważniejsze zadania trzeba wykonać samemu. 
Lista narzędzi popularnego Matlab:
    Aerospace Blockset
    Aerospace Toolbox
    Antenna Toolbox
    Audio System Toolbox
    Automated Driving System Toolbox
    Bioinformatics Toolbox
    Communications System Toolbox
    Computer Vision System Toolbox
    Control System Toolbox
    Curve Fitting Toolbox
    Data Acquisition Toolbox
    Database Toolbox
    Datafeed Toolbox
    DSP System Toolbox
    Econometrics Toolbox
    Embedded Coder
    Filter Design HDL Coder
    Financial Instruments Toolbox
    Financial Toolbox
    Fixed-Point Designer
    Fuzzy Logic Toolbox
    Global Optimization Toolbox
    GPU Coder
    HDL Coder
    HDL Verifier
    Image Acquisition Toolbox
    Image Processing Toolbox
    Instrument Control Toolbox
    LTE HDL Toolbox
    LTE System Toolbox
    Mapping Toolbox
    MATLAB
    MATLAB Compiler SDK
    MATLAB Coder
    MATLAB Compiler
    MATLAB Distributing Computing Server - 32 workers
    MATLAB Report Generator
    Model Predictive Control Toolbox
    Model-Based Calibration Toolbox
    Neural Network Toolbox
    OPC Toolbox
    Optimization Toolbox
    Parallel Computing Toolbox
    Partial Differential Equation Toolbox
    Phased Array System Toolbox
    Polyspace Bug Finder
    Polyspace Code Prover
    Powertrain Blockset
    RF Blockset
    RF Toolbox
    Risk Management Toolbox
    Robotics System Toolbox
    Robust Control Toolbox
    Signal Processing Toolbox
    SimBiology
    SimEvents
    Simscape
    Simscape Driveline
    Simscape Electronics
    Simscape Fluids
    Simscape Multibody
    Simscape Power Systems
    Simulink
    Simulink 3D Animation
    Simulink Check
    Simulink Code Inspector
    Simulink Coder
    Simulink Coverage
    Simulink Control Design
    Simulink Design Optimization
    Simulink Design Verifier
    Simulink Desktop Real-Time
    Simulink PLC Coder
    Simulink Real-Time
    Simulink Report Generator
    Simulink Requirements
    Simulink Test
    Spreadsheet Link
    Stateflow
    Statistics and Machine Learning Toolbox
    Symbolic Math Toolbox
    System Identification Toolbox
    Text Analytics Toolbox
    Trading Toolbox
    Vehicle Network Toolbox
    Vision HDL Toolbox
    Wavelet Toolbox
    WLAN System Toolbox

 Lodówka jest typowo największym konsumentem energii elektrycznej w gospodarstwie domowym. Innymi dużymi konsumentami są grzałki oporowe w pralce, zmywarce, piekarniku i kuchni. Szczęśliwe te odbiorniki pracują poza dominującym czasem intensywnej pracy przemysłu. Ale emeryci i pracujący zdalnie w domu nie zważają na porą dnia co jest dużym minusem.
  Najbardziej energożerne lodówki produkowano w latach siedemdziesiątych. Były gorsze od tych produkowanych w latach trzydziestych i czterdziestych. Przede wszystkich zaoszczędzono na izolacji czyli wymiarach lodówki a co za tym idzie koszcie materiałów, transportu, opakowania... Optymalny zakres  temperatury przechowywania żywności jest podany na jej opakowaniu lub jest w przybliżeniu znany dla grup żywności. Temperatura w objętości komory lodówki nie jest stała i stąd wynika rekomendacja co do miejsca przechowywania określonej grupy żywności w miejscu w lodówce. Optymalna temperatura w lodówce wynika z minimum sumy kosztów zużywanej energii, utraty atrakcyjności przechowywanej żywności i ryzyka zatrucia pokarmowego bo takowe też istnieje.
Gospodarstwom domowym w Polsce oferowana jest taryfa G11 o stałej cenie energii elektrycznej w czasie doby oraz taryfa o ocenie obniżonej w godzinach nocnych 22-6 głównie dla celów ogrzewania ale w okresie dnia 6-22 energia jest droższa niż w taryfie G11. W taryfie G12W energia jest dodatkowo tańsza w weekendy kosztem podwyższenia obu cen w stosunku do taryfy G12. Taryfy te do systemu z dużą Zieloną Generacją są kompletnie nieprzydatne.

Problem z Zieloną Generacją nie polega na tym że  jest ona w długim czasie za mała ale na tym że jest kompletnie w czasie niedostosowana do potrzeb gospodarki i konsumentów. Przechowywanie energii w zbiorniku wodnej elektrowni pompowo – szczytowej jest drogie a w akumulatorach bardzo drogie.
N.B. W magazynach energii można użyć akumulatorów już za słabych do samochodu. Musiałby jednak być rozwiązany problem standaryzacji akumulatorów samochodowych EV tak jak wszelkich akumulatorów i baterii. Mankamentem wszystkich „zużytych” akumulatorów litowo – jonowych jest wzrastająca niestabilność ich pracy prowadząca nawet do pożaru i wybuchu. W kontenerach magazynu energii z akumulatorami musiałyby funkcjonować kamery monitoringu ( pole dla rozpoznawania obrazów i AI) dla wyłapania dymu i płomieni oraz czujniki dymu i płomieni. Po stwierdzeniu awarii kontener jest elektrycznie odcinany od systemu a pojazd do transportu kontenerów ( używane w portach kontenerowych ) transportuje kontener ( odpowiednie złącza się rozłączają ) aby pożar się nie rozwinął na pozostałe kontenery. Po opuszczeniu do basenu z wodą, wpływa ona do wnętrza schładzając całość a w tym palące się ogniwa. Ogniwa nie uszkodzone można dalej używać a przynajmniej poddać normalnemu recyklingowi. Cena maszyny transportującej kontener musi stanowić drobny ułamek ceny i magazyn energii siłą rzeczy musi być duży
W elektrowniach jądrowych skomplikowane maszyny wypalone kasety z prętami paliwowymi umieszczają w pobliskim basenie z wodą gdzie widoczne jest niebieskie promieniowanie Czerenkowa. Widać tu pewne podobieństwo postępowania z bardzo niebezpiecznymi przedmiotami jak zużyte pręty z paliwem jądrowym i palące się akumulatory.    

Zagadnienie chłodzenie jest dualne do zadania ogrzewania. Oczywiście najwygodniej jest posługiwać się wielkościami znormalizowanymi.
Na wykresie Cyan-Tset to temperatura zadana regulatorowi P o wzmocnieniu 10, Blue-Power to podana moc ale unormowana tak że do 1 jest sytuacja statyczna, G-T1 pierwsza temperatura czyli grzejnika lub wnętrza lodówki , R-T2 druga temperatura czyli pomieszczenia lub żywności. Na Tset składa się ustawienie temperatury od której odjęta jest bieżąca cena energii pomnożona przez ustawiany współczynnik. Cała skala czasu to w przybliżeniu jedna doba. Po skokowym wzroście ceny energii skokowo spada Tset i momentalnie do zera spada podana regulatorem Proporcjonalnym  o wzmocnieniu 10  moc Power. Gdy energia jest tania chłodzenie jest mocniejsze niż normalnie aby połowicznie skompensować przyśpieszone starzenie żywności gdy energia jest bardzo droga.  Jednak gdy energia jest długo droga moc się podnosi ale połowicznie. Gdy energia tanieje temperatura T1 jest szybko podciągnięta z pełną mocą a za nią T2. W realnym systemie skoki cen nie są tak szybkie i przebiegi są znacznie bardziej gładkie.

Oczywiście lodówka dopasowująca się do bardzo wysokich cen energii elektrycznej powinna też wskazywać do jakiej temperatury i jak długo podniosła się temperatura żywności lub od razu o ile spadła trwałość poszczególnych grup żywności. Inteligenta lodówka wie co w niej jest  i może zawsze ustalić optymalny współczynnik osłabienia chłodzenia drogą energią. Gdy w lodówce jest dużo drogiej, delikatnej żywności podwyższenie temperatury będzie bardzo małe.
 W konwencjonalnym kompresorze lodówki, silnik napędza tłok poprzez korbowód. Ale możliwe jest też bezpośrednie liniowe napędzania tłoka jak w 1913 opatentował to Brown, Boveri & Cie i w 1924 Hugo Junkers. Obecnie liderem „linear inverter compressors” w lodówce jest koreański koncern LG osiągając znaczną ekonomie pracy.
Stosując dobrą izolacje cieplną w trwałej lodówce, „linear inverter compressors”,  miejsce optymalnego ustawienia w kuchni (musi być uwzględnione na etapie projektowani domu, z dala od grzejników ) i na wypadek bardzo drogiej energii algorytm osłabienie chłodzenia można konsumpcje energii mocno zmniejszyć, szczególnie w danym momencie bardzo drogiej. 
Każde otwarcie lodówki i wpuszczenie do niej ciepłego powietrza z pomieszczenia zwiększa pobór energii ale mieszkańcy albo są w pracy albo korzystają z lodówki w domu. Tak więc intensywniejszy pobór mocy przez lodówkę jest w okresie zmniejszonego poboru mocy przez przemysł.

 Optymalna izolacja cieplna domu wynika ze względnej ceny energii do jego wieloletniego ogrzewania i ceny kredytu. Im tańszy jest kredyt tym lepsza powinna być wymagana izolacja cieplna budynku. Oczywiście developerzy są zainteresowani jak najtańszą budową i stąd konieczna jest minimalna osankcjonowana regulacja państwowa. Do oceny izolacji bardzo użyteczne są termokamery. 

 Wszystko ma swoją cenę. Także brak komfortu cieplnego i złej jakości powietrze w pomieszczeniach.
Rozprawę doktorską duńskiego naukowca Ole Fangera z 1972 roku „Thermal Comfort”  sprzedano w ponad 13 tysiącach kopi. Podał on wzory na Predicted Mean Vote (PMV) oraz Predicted Percentage Dissatisfied (PPD) dotyczące komfortu cieplnego.
 Następnie zajął się badaniem oceny jakości powietrza wewnętrznego IAQ - Indoor Air Quality, tworząc przy okazji nowe pojęcia i jednostki.
W złej atmosferze źle, niewydajnie się pracuje i mieszka ! Geniusz dostał 75 nagród naukowych w 28 krajach, w tym 12 doktoratów honoris causa, 18 medali i honorowych członkostw 16 stowarzyszeń zawodowych oraz członkostwa U.S. National Academy of Engineering i Royal Academy of Engineering w Wielkiej Brytanii. W Polsce w 1996 r. odznaczony Złotą Honorową Odznaką Polskiego Zrzeszenia Inżynierów i Techników Sanitarnych. Jest autorem ponad 300 publikacji naukowych, wydawanych ( ciągłe dodruki ) w 40 krajach świata.

 1 olf to strumień zanieczyszczeń wydzielany przez 1 standardową osobę dorosłą, w wieku średnim, , lekka praca siedząca w biurze lub podobnym miejscu, powierzchni skóry 1,8 m2, o standardzie higienicznym 0,7 kąpieli na dzień, zmieniającą codziennie bieliznę.
Średnie wartości emisji zanieczyszczenia w olfach:
osoba, aktywność średnia               5 olfów
osoba, aktywność duża                   11 olfów
osoba paląca (w trakcie palenia)     25 olfów
osoba paląca (gdy nie pali) średnio 6 olfów
Poprawa jakości powietrza w biurach daje znaczną poprawę efektywności pracy ludzi poprzez poprawę absencji w pracy, zmniejszenie kosztów leczenia i poprawę jakości pracy. Średni czas zwrotu nakładów na przeprowadzone modernizacje systemów wentylacji i ogrzewania był mniejszy niż 2 lata.

Wskaźniki Fangera komfortu cieplnego zostały użyte w normie PN-EN ISO 7730:2006
Przeciętny człowiek ( wiek 40 lat, waga 70 kg ) podczas bezczynnego siedzenia  (MET – Metabolic Equivalent_of Task) wytwarza  moc (cieplną) 1 met = 58.2 W/m2 powierzchni ciała a spoczywając 80% tej wartości. Pracując głową w pozycji siedzącej lub bezczynnie stojąc 120%, przy małej aktywności 160%, średniej 200% i dużej ponad 300% a płynąc średnio i szybko odpowiednio 800-1100%.
Izolacje cieplną ubrania podaje się w Clo. 1 Clo = 0.155 m2K/W w układzie SI. Clo=1 to ubranie dające komfortową izolacje cieplną spokojnie siedzącemu w pomieszczeniu o temperaturze 21C, z wilgotnością względną do 50% i z powietrzem poruszającym się wolniej niż 0.1 m/s.
Izolacja cieplna odzieży:
Podkoszulek 0,07
Bluza 0,20
Ciepła koszula 0,23
Cienki sweter 0,25
Gruby sweter 0,37
Pulower 0,17
Marynarka 0,30
Szorty 0.06
Spodnie lekkie 0,26
Spodnie grube 0,32
Sukienka letnia 0,17
Sukienka gruba 0,63
Rajstopy 0,10
Półbuty 0,04
Skarpety 0,03
Majtki 0,05
Pas do pończoch 0,04
Spodenki 0,05
Kalesony 0,20
Izolacja cieplna ubrania to suma izolacji ubranych elementów składowych  powiększona dla mężczyzny o 0.113 a dla kobiety o 0.05.
Ciepłe ubranie Eskimosa ma Clo=4.

Fanger dał równanie na bilans cieplny człowieka S. Organizm człowieka oddaje ciepło przez promieniowanie, przewodzenie (styczność), konwekcję (unoszenie) i odparowanie wody z potu wydzielonego na powierzchnię skóry. W stanie równowagi dla S=0 człowiek nie odczuwa uczucia gorąca, ani zimna, także lokalnie. Przyjęto do wyliczenia PPD że 5% populacji będzie wtedy niezadowolone bo statystycznie tyle zawsze jest niezadowolonych bez powodu.

Zaburzenie  stanu równowagi termicznej (S ≠ 0) prowadzi do wielu reakcji ze strony układu krążenia, ośrodkowego układu nerwowego a nawet zaburzeń gospodarki wodno – elektrolitowej.
Dodatni bilans S pojawi się przy ciężkiej pracy, stosowaniu za ciepłej odzieży i przy za wysokiej temperaturze otoczenia. Obniżona temperatura otoczenia lub za słabe ubranie da ujemny bilans.
Temperatura otoczenia wyższa niż 21 C powoduje spadek sprawności psychofizycznej. W temperaturze przekraczającej 26 C obniża się poziomu uwagi, spostrzegawczości i refleksu. W temperaturach niższych od komfortowych, dochodzi do zwężenia naczyń krwionośnych, zwłaszcza kończyn, co powoduje znaczne obniżenie temperatury skóry.
Prędkość  powietrza w pomieszczeniu i jego wilgotność wpływają na odczuwalną temperaturę. Przeciągi są negatywnie odbierane. Wilgotność większa od 70% utrudnia odparowywanie potu
z powierzchni ciała. Niska wilgotność w ogrzewanych pomieszczeniach prowadzi do wysuszenia śluzówki nosa i skóry co często powoduje bóle gardła i głowy. Optymalna wilgotność wynosi 40 - 60% przy Ta<=20 C i do 55% przy wyższej temperaturze. Źle odbierana jest nadmierna asymetria rozkładu temperatury w pomieszczeniu. Temperaturę doskonale dokumentuje obraz termokamery i można ją mierzyć pirometrem. Przegrzanie stóp daje  lokalne rozszerzenia naczyń krwionośnych prowadzące do obrzęku stóp, a to nawet zaburzenia systemu termoregulacji
organizmu z dziwnymi objawami.

Zaleca się, aby wskaźnik PMV mieścił się w zakresie: -0,5<PMV<+0,5. PMV=3 oznacza że osobie jest bardzo gorąco a -3 że bardzo zimno. Ale już przy PMV=+-2 niezadowolonych z „komfortu” jest PPD=77%.
Komfort termiczny może być zaburzony wpływem zbyt bliskiego zimnego okna lub gorącego kaloryfera, ogrzewaniem podłogowych które nie powinno być czasem stosowane, zbyt dużą prędkością powietrza z układu klimatyzacji lub wylot zbyt blisko osoby...

Sprawdzenie
Wzory Fangera można stosować tylko w zakresach zmiennych podanych w nawiasach w przykładzie: 
M=70 (W/m2), Metaboliczna produkcja energii (58 do 232 W/m2)
W=0   (W/m2), Oddawana moc mechaniczna, (normalnie 0)
Ta=22 (C), Temperatura powietrza otoczenia (10-30)
Tr=22  (C), Średnia temperatura radiacyjna otoczenia ( powinna być zbliżona do temperatury powietrza, odczucie temperatury przez człowieka odpowiada w przybliżeniu średniej pomiędzy wartościami tych obu temperatur. Duże różnice pomiędzy temperaturą powietrza a temperaturą promieniowania ( zimne okno, gorący piec... ) odczuwane są przez człowieka jako dyskomfort )
v=0.1   (m/s), Prędkość powietrza (0.1 to 1 m/s)
Rh=50  (%),  Względna wilgotność
Icl =1.0 (Clo), Izolacyjność ubrania 
Dla tych danych jest PMV=0.08 czyli troszeczkę za ciepło a PPD=5.1%.
Na zdjęciu jest strona z normy PN-EN ISO 7730:2006 ze wzorami na PMV

-W dowolnym środowisku ( nawet arkusz kalkulacyjny ) wpisz wzór na PMV z nazwami zmiennych z przykładu powyżej. Sprawdź dla podanych danych rezultat obliczenia. Użyj też innych danych i sprawdź sensowność wyliczeń.

Ćwiczenie
Aby eksplorować komfort cieplny nie trzeba od razu kupować drogiego specjalistycznego przyrządu.
Do analogowych wejść mikrokontrolera PIC32 przyłączono termistory NTC 10 KOhm przy T=25C (pdf), zasilone rezystorami z napięcia odniesienia ADC. Służą do pomiaru temperatury powietrza lub temperatury czarnej kuli. Pomiar jest najdokładniejszy oczywiście w połowie zakresu ADC ale teoretycznie mierzone są temperatury od zera bezwzględnego do nieskończoności. Im większe odchylenie od środka zakresu tym gorsza jest dokładność pomiaru takiego systemu. 
(Alternatywnie temperatury można mierzyć sensorami DS18B20 z interfejsem 1-Wire. Sensory cyfrowe są do innego ćwiczenia )
Pojemnościowy lub oporowy sensory wilgotności względnej Rh (pdf-y) pracują z generatorem na trzech inverterach CMOS dlatego że wykluczone jest długotrwałe zasilanie ich polaryzującym napięciem stałym a w generatorach jest na nich tylko napięcie zmienne.
(Sensor DTH11/22 z interfejsem Single-Wire Two-Way mierzy temperaturę i wilgotność)
Termoanemometry z żarówką / tranzystorem mierzą szybkość przepływu powietrza. 
Przybliżone ich schematy podano w:
http://matusiakj.blogspot.com/2016/08/archiwum-sensory-6.html
http://matusiakj.blogspot.com/2016/08/archiwum-sensory-23.html
W układzie z „żarówką” użyto tylko pierwszego wzmacniacza operacyjnego.  Ich wadą jest znaczny pobór mocy i zasilanie napięciem aż 12-15V. Sygnały wyjściowe w odpowiedniej skali podano do wejść ADC mikrokontrolera.
Sensor podczerwieni  MLX90614 dedykowany do wielu zastosowań ( omówiony w części 31 ) z interfejsem I2C mierzy temperatury przedmiotów. Duży kąt widzenia jest tu zaletą.

-Jakimi rezystorami mają być zasilane termistory NTC aby najdokładniejszy był pomiar środkowej temperatury 21C. Zaproponuj paro - odcinkową linearyzacje charakterystyki według aproksymacji Czebyszewa lub linearyzacje szeregiem. Można posłużyć się narzędziami z Matlab-a. Argumentem jest rezultat z ADC w zakresie 0-1023.  Zrealizuj linearyzacje w programie w C na użytym systemie z PIC32. Jaka jest funkcja dodatkowego błędu w stosunku do tego jaki jest w środku zakresu ?
Mocniej niż palcami i oddechem, NTC można podgrzać suszarką do włosów.

-Jaka jest z wielu powodów optymalna częstotliwość generacji generatora na trzech inwerterach CMOS ( lub innego generatora ) pracującego z pojemnościowym lub oporowym sensorem wilgotności względnej Rh ? Konfiguracje generatora dla przyłączonego sensora ustala się jumperami na PCB. Co jest powodem temperaturowego dryftu częstotliwości ( czasu) tego generatora ( jest on niewielki ) i czy znając temperaturę można go łatwo skompensować i czy to ma sens z tymi sensorami.
Dla jakich zakresów częstotliwości z PIC32 dokładniejszy jest pomiar ilości impulsów w stałym odcinku czasu czy długości impulsów w okresie pomiaru około 1 sekundy.

-Znając zmierzoną sensorem temperaturę powietrza skoryguj i linearyzuj ( według aproksymacji Czebyszewa ) pomiary szybkości przepływu powietrza z anemometru termicznego. Przepływ powietrza wymusza się suszarką ale z wyłącznym grzejnikiem. Włączenie grzejnika pozwala ocenić jak mocno temperatura zakłóca pomiar szybkości przepływu powietrza.

-Analizą lub symulacją ustal czy możliwe jest zastosowanie termistora NTC zamiast „żarówki” w  anemometrze termicznym. Ich nominalna oporność w serii jest w szerokim przedziale 3.3 Ohm do 470 KOhm czyli wybór jest dowolny.