Improving the analysis of radiant thermal effects on children

Youssef, Nour (2025). Improving the analysis of radiant thermal effects on children. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Children’s thermal comfort is an important consideration in schools and daycares due to its impact on their concentration, attendance, and overall happiness. Recent research has shown that children are not thermally comfortable in schools and that adults are unable to correctly predict and adjust the environment to meet their thermal preferences. Yet, these spaces are typically designed according to the heat loads of adult occupants, and their comfort is assessed using methods developed for adults. However, most of the design parameters and evaluation approaches applied in this field have not been validated for children. One of these parameters is the view factor, which are used to calculate the mean radiant temperature, an index that quantifies the radiant thermal exchange between the occupant and its surroundings. This thesis aims to rectify this gap by analyzing the methods used for the prediction and evaluation of children’s thermal comfort, with a focus on the radiant aspect of their heat exchange.

In light of the stated goals, detailed numerical manikins of adults, representative of the subjects found in Fanger’s seminal experiments, are generated and used to evaluate various methodological assumptions. Raytracing and hemicube numerical calculation methods are compared for accuracy. The effect of manikin pose is investigated in the standing posture, and found to significantly influence data match with literature. The adult manikin pose is thus calibrated to ensure results closely match those of the average male from Fanger’s experiments. Through a thorough comparison between three seating configurations, it is demonstrated that a seat’s blocking of radiation from the floor is significant in all cases. The presence of a seat is found to lower the mean radiant temperature by up to 2 °C in the two scenarios simulated with office and school chairs. The Anterior/Posterior symmetry assumption, currently accepted in the literature and used in all thermal comfort standards, is debunked in the presence of seats, requiring an important methodological change in all future investigations of human radiation data in the seated posture. The rigorous method developed addresses several gaps found in view factor literature, allowing for numerical calculation of projected area factors and view factors of numerical manikins for any population investigated.

This novel method is then applied to a numerical manikin of a 5-year-old boy in order to investigate whether children’s radiation data is significantly different from that of adults. A 5- year-old boy manikin is retained to represent the lower end of the child population found in schools. Both child and adult manikins are generated in the standing and the seated posture combined with three different seating configurations. In the seated posture, the difference between the adult and child is found to be insignificant. The smaller size and reduced shading by school chairs when compared to office chairs explains the majority of the differences found when comparing the child and adult radiation data. The results indicate however that children have distinct radiation data than adults in the standing posture. In the two test scenarios considered, one with radiant floor heating, and another with a chilled ceiling, the child’s different projected area factors lead them to experience a mean radiant temperature up to 1 °C greater than the adults’, affecting their thermal comfort.

The thesis concludes that children’s particular characteristics warrant a special consideration in thermal comfort standards. In the standing posture, child specific radiation data should be used for the design and evaluation of spaces where occupants are primarily children. In the seated posture, the radiation data used for both adults and children should be revised to account for the shading effect of seats that will inevitably be present, and the Anterior/Posterior symmetry assumption should be disposed of in favour of a complete accounting of radiant exchange of the human body with its environment. More research must be done on children’s thermal comfort, particularly on the applicability of the predicted mean vote equations currently in use for the evaluation of children’s thermal comfort, and to evaluate the particularity of children in other modes of heat exchange.

Titre traduit

L'amélioration de l'analyse des effets thermiques radiants sur les enfants

Résumé traduit

Le confort thermique des enfants est un facteur important à prendre en compte dans les écoles et les garderies, car il a une incidence sur leur concentration, leur assiduité et leur bien-être général. De récentes études ont montré que les enfants ne sont pas confortables dans les écoles et que les adultes ne sont pas en mesure de prédire et d'ajuster correctement l'environnement pour répondre à leurs préférences thermiques. Or, ces espaces sont généralement conçus en fonction des charges thermiques d’occupants adultes, et le confort qui en découle est présentement évalué à l'aide de méthodes développées pour les adultes, même dans le cas où ces espaces sont occupés de façon prédominante par de jeunes occupants. Or, la plupart des paramètres de conception et des méthodes d'évaluation appliqués dans ce contexte n'ont pas été validés pour des enfants. L'un de ces paramètres est le facteur de forme, qui est utilisé pour calculer la température moyenne de rayonnement, un indice qui quantifie l'échange thermique radiatif entre l'occupant et son environnement. Cette thèse vise à combler cette lacune en analysant les méthodes utilisées pour prédire et évaluer le confort thermique des enfants, en mettant l'accent sur l'aspect radiatif de leurs échanges thermiques.

À la lumière de l’objectif énoncé, des mannequins numériques détaillés représentant des adultes, similaires aux sujets des expériences pionnières de Fanger, sont générés et utilisés pour évaluer diverses hypothèses méthodologiques. La précision des méthodes de calcul numérique par lancer de rayons (raytracing) et hémicube est comparée. L'effet de la pose du mannequin est étudié en position debout et s'avère avoir une influence significative sur la correspondance des données avec la littérature. La posture du mannequin adulte est donc calibrée afin de garantir que les résultats correspondent étroitement à ceux de l'homme moyen issu des expériences de Fanger. Une comparaison approfondie entre trois configurations de sièges démontre que le blocage du rayonnement provenant du sol par un siège est significatif dans tous les cas. La présence d'un siège réduit la température radiante moyenne de 2 °C dans les deux scénarios simulés avec des chaises de bureau et d'école. L'hypothèse de symétrie antérieure/postérieure, actuellement acceptée dans la littérature et utilisée dans toutes les normes de confort thermique, est réfutée en présence de sièges, ce qui nécessitera un changement méthodologique important dans toutes les futures études sur les données de rayonnement humain en position assise. La méthode rigoureuse mise au point comble plusieurs lacunes constatées dans la littérature sur les facteurs de forme, et permet le calcul numérique des facteurs de surface projetée et des facteurs de forme des mannequins numériques pour toute population étudiée.

Cette nouvelle méthode est ensuite appliquée à un mannequin numérique représentant un garçon de 5 ans afin de déterminer si les données relatives au rayonnement chez les enfants diffèrent significativement de celles chez les adultes. Un mannequin représentant un garçon de 5 ans est utilisé pour représenter la tranche d'âge la plus jeune de la population scolaire. Les mannequins représentant des enfants et des adultes sont générés en position debout et assise, avec trois différents types de sièges. En position assise, la différence entre les adultes et les enfants s'avère insignifiante. La taille plus petite et l'ombrage réduit des chaises d'école par rapport aux chaises de bureau expliquent la plupart des différences observées entre les données de rayonnement des enfants et des adultes. Les résultats indiquent toutefois que les enfants présentent des données de rayonnement distinctes de celles des adultes en position debout. Dans les deux scénarios étudiés, l'un avec un plancher chauffant et l'autre avec un plafond rafraîchissant, les différents facteurs de surface projetée des enfants les conduisent à subir une température radiante moyenne supérieure de 1 °C à celle des adultes, ce qui affecte leur confort thermique.

La thèse conclut que les caractéristiques propres des enfants justifient qu’une attention particulière leur soit accordée dans les normes de confort thermique. En position debout, des facteurs de rayonnement spécifiques aux enfants devraient être utilisés pour la conception et l'évaluation des espaces où ils représentent l’occupant dominant. En position assise, les facteurs de rayonnement utilisé pour les adultes et les enfants devraient être révisés afin de tenir compte de l'effet d'ombrage des sièges, qui seront inévitablement présents. Pour cette position, l'hypothèse de symétrie antérieure/postérieure devrait être abandonnée au profit d'une prise en compte complète des échanges radiatifs entre le corps humain et son environnement. Des recherches supplémentaires doivent être menées sur le confort thermique des enfants, en particulier sur l'applicabilité des équations de vote moyen prévisible (PMV) actuellement utilisées pour évaluer le confort thermique des enfants, et évaluer l’effet des caractéristiques propres des enfants sur d'autres modes d'échange thermique.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctorat". Comprend des références bibliographiques (pages 117-128).
Mots-clés libres:	enfant, confort thermique, transfert de chaleur par rayonnement, facteurs de forme, température moyenne de rayonnement
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse D'Avignon, Katherine
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	25 févr. 2026 20:22
Dernière modification:	25 févr. 2026 20:22
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3799

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