«ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Теоретические основы создания микроклимата в помещении 1. Требования к уровню освоения содержания дисциплины ЦЕЛЬ КУРСА - дать системное изложение положений, представляющих теоретическую основу для ...»

-математическое моделирование на основе решения системы уравнений в дифференциальной или алгебраической форме, описывающих тепловой, воздушный, влажностный и газовый режим помещения.

-физическое моделирование в натурных условиях или на геометрически подобных натурному объекту моделях, на которые физические процессы переносят с помощью масштабных соотношений;

-аналоговое моделирование – разновидность физического, когда реальные процессы заменяются другими, имеющими формально аналогичное математическое описание.

Отсутствие вычислительных технологий в предшествующие десятилетия определило основной путь изучения процессов формирования микроклимата, который состоял в натурных и лабораторных исследованиях.

Аналитические решения носили ограниченный характер и частично основывались на данных экспериментов. В результате обширных экспериментов был получен и обобщен имеющийся в настоящее время багаж знаний о физике процессов. Современные вычислительные технологии открывают широкие возможности для исследования процессов формирования микроклимата в том числе путем прямого решения дифференциальных уравнений, описывающих эти процессы.

Иными словами на передний план вышла методология исследований на базе математического моделирования. В принципе можно выделить два вида математических моделей - с распределенными (полностью или частично) и сосредоточенными параметрами.

2.2.1.Модель с распределенными параметрами Модели с распределенными параметрами представляют собой систему уравнений движения, баланса тепла и массы газовых примесей в дифференциальной форме в частных производных. Система уравнений дополняется краевыми условиями, в состав которых входят граничные условия и начальные условия. Решение системы позволяет определить трехмерное распределение параметров микроклимата в объеме помещения и изменяющимися во времени. Такие модели, как правило, используются при решении исследовательских задач. Поэтому они учитывают по возможности полную постановку задачи, являются сложными и не имеют широкого распространения в инженерной практике.

Рассмотрим в несколько упрощенной постановке модель распределения в помещении скорости и температуры воздуха (см.рис.2.1). За основу модели принята система уравнений движения Навье-Стокса, описывающая движение потока однородной несжимаемой вязкой жидкости.

Упрощение состоит в том, что воздух является сжимаемой жидкостью и в рассматриваемой задаче имеет газообразные или аэрозольные (пыль) примеси загрязняющих веществ. Однако, несущественное изменение давления в помещении позволяет считать воздух несжимаемым, а малые концентрации вредных веществ в общем объеме помещения позволяет считать воздушную среду однородной..

Система включает в себя уравнения проекции вектора скорости на оси ординат Система уравнений дополняется уравнением сплошности потока Уравнение распределения температуры в движущемся потоке и уравнение состояния Уравнение распространения примеси в воздухе потока В уравнениях (2.1) - (2.4) приняты следующие обозначения:

W -скорость движения воздуха, м/с;

-плотность воздуха, кг/м3;

X,Y,Z-проекция плотности массовых сил на оси, Па;

-кинематическая вязкость воздуха, м2/с;

tB -температура воздуха, град;

a -коэффициент температуропроводности воздуха, м2/с;

R -газовая постоянная, кг м/кг град;

РR -число Прандтля для воздуха;

Т -температура воздуха, 0 K ;

с -концентрация газовой примеси, мг/м3;

А -коэффициент турбулентного обмена, м2/с.

В приведенной записи системы уравнений отсутствуют члены, учитывающие молекулярную диффузию газовых примесей и турбулентность движущегося потока воздуха. Турбулентный поток характеризуется неупорядоченностью, которая приводит к случайному изменению во времени и пространстве мгновенных значений скорости температуры, давления в потоке. Условно турбулентное движение рассматривают как движение совокупности отдельных объемов жидкости, совершающих как поступательное, так и вращательное движение.

Для математического описания турбулентного движения используются разные модели, в том числе метод Рейнольдса, состоящий в разделении мгновенных значений параметров на две части – среднюю и пульсационную Граничные условия системы уравнений отображают условия теплообмена на границах, которыми являются ограждения помещения с координатами x=0, x=B, y=0,y=A, z=0,z=C. При этом имеется в виду, что на границах скорость потока v=0.

На поверхности ограждения, обращенной внутрь помещения, в любой момент времени удовлетворяется уравнение баланса тепла. В развернутом виде уравнение баланса имеет вид В толще каждого ограждения имеет место распределение температуры, описываемое уравнением Фурье (для примера по координате х) В уравнениях (2.5) и (2.6) принято:

коэффициент теплопроводности материала поверхностного слоя ограждения, Вт/м град;

t i температура поверхности, град;

ki коэффициент конвективного теплообмена, Вт/м2 град;

t j - температура j -ой поверхности, град;

л i j -коэффициент лучистого теплообмена на внутренних поверхностях ограждений в помещении, Вт/м2град;

q л - плотность лучистого теплового потока от внутренних источников, Вт/м2;

a - коэффициент температуропроводности материала слоя ограждения,м2/с.

Помимо граничных условий задаются начальные условия в виде численных значений параметров в начальный (нулевой) момент времени.

Решение системы уравнений ведут численными методами, основанными на переходе от бесконечно малых приращений координат и времени к конечным малым приращениям.

Известен ряд решений подобных задач в различных отраслях знаний. В области обеспечения микроклимата помещений задача решалась с разной степенью детализации ее постановки. В полном виде численное решение было получено в Институте автоматизации и проектирования РАН А.А. Аксеновым и А.В. Гудзовским, которыми разработан универсальный программный комплекс Flow Vision, предназначенный для решения практических задач аэродинамики и тепломассопереноса.

2.2.2.Модели с частично распределенными параметрами Модели с распределенными параметрами сложны и представляют вычислительные трудности при их реализации. При этом не всегда бывает необходимо иметь распределение параметров микроклимата в моделируемом объекте по всем осям координат.

Например, в помещениях малой площади с равномерно распределенными источниками вредности достаточно анализировать распределение того или иного параметра только по одной из трех координат, совпадающей с высотой помещения.

В подобных случаях говорят о модели с частично распределенными параметрами (по одной или двум осям координат). В качестве такой модели продолжим рассмотрение принятого выше примера – системы уравнений для движущегося потока жидкости. Уравнение движения для проекции на ось х имеет вид где - коэффициент потери энергии потока при движении.

Уравнение сплошности потока Уравнение баланса тепловой энергии где:

t -коэффициент теплообмена, Вт/м2 град;

Fуд -площадь поверхности теплообмена (ограждений), отнесенная к 1 м длины пути воздуха, м ;

f -площадь поперечного сечения движущегося потока, м2;

с -удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг град;

t -средняя по площади температура поверхностей, град.

Система уравнений дополняется граничными и начальными условиями. В прии потерь энергии, что веденной модели используются коэффициент обмена упрощает задачу расчета. Следует иметь в виду, что эти коэффициенты связаны с реальными процессами формирования микроклимата. Поэтому их значения определяют экспериментально или расчетом по более сложным трехмерным моделям..

2.2.3. Модели с сосредоточенными параметрами Такие модели наиболее распространены в инженерной практике, что связано с их простотой и доступностью реализации. Суть модели состоит в том, что все величины в помещении принимаются средними по его объему. Таким образом распределенные в общем случае параметры микроклимата концентрируются в одной точке, поэтому такие модели называют еще точечными.

Для точечных моделей характерны следующие упрощения:

-равномерное распределение лучистых тепловых потоков пропорционально площади поверхности ограждений;

-одинаковая средняя температура поверхностей ограждений (радиационная температура) ;

-одинаковая средняя по объему температура воздуха ;

-одинаковая средняя концентрация вредных веществ в объеме помещения;

-одинаковые и постоянные коэффициенты переноса (теплообмена, массообмена).

Точечные модели состоят из алгебраических уравнений и предназначены, как правило, для ручного счета. С их помощью определяют теплопотери и теплопоступления в помещение, выделение вредностей, определение установочной производительности и решают широкий круг других задач обеспечения микроклимата.

Вместе с тем, подобные модели могут быть предназначены для решения нестационарных задач формирования микроклимата и поэтому включают уравнения в дифференциальной форме. В качестве примера рассмотрим модель формирования концентрации газовой вредности в помещении, известную как уравнение воздухообмена ( подробно см.раздел 6.3).

Уравнение баланса вредности включает поступление и расход вредности за бесконечно малый промежуток времени. При этом дисбаланс вредности вызывает изменение концентрации:

где:

M -масса газовой вредности, поступающей в помещение, мг/ч;

L -расход приточного воздуха, м3/ч;

С -концентрация вредности в воздухе помещения, мг/м3;

C пр -концентрация вредности в приточном воздухе, мг/м3;

V -объем помещения,м3.

Уравнение (2.10) написано для случая, когда температура приточного и уходящего воздуха равны.

В помещениях большого объема имеет место выраженное распределение параметров микроклимата прежде всего по высоте. В этом случае, не прибегая к привлечению более сложных моделей с полностью или частично распределенными параметрами, можно решить задачу приближенно с помощью точечной модели.

Решение состоит в выделении в объеме помещения двух зон (см.рис.2.3),для каждой из зон составляется уравнения баланса вредностей, которые дополняют уравнениями тепло-массообмена на границе раздела зон. Подобная модель называется двухзонной и представляет собой уточнение модели с сосредоточенными параметрам 2.2.4. Модели, управляющие формированием микроклимата Начиная с 80-х годов прошлого столетия получили распространение специальные информационные комплексы, управляющие инженерным оборудованием крупных зданий общественного назначения, таких как гостиницы, офисы и т.д..

Среди прочих задач, которые ставятся перед такими комплексами, важной является задача реализации энергосберегающих технологий обеспечения микроклимата. В этом случае обычно говорят об «Интеллектуальном здании».

Энергосбережение осуществляется путем управления работой отдельных элементов систем отопления-охлаждения и вентиляции (теплообменников, клапанов, насосов и вентиляторов) по специальному алгоритму. При этом управляющий компъютер собирает и анализирует информацию от метеостанции и датчиков, фиксирующих параметры микроклимата во всех помещениях и параметры работы систем обеспечения микроклимата.

Рис.2.4. Гидравлический лоток:

1—обратные каналы; 2— спрямляюща решетка в коллекторе; З — рабочая часть лотка; 4 — эжекторы 5— переливная труба Рис. 2.5. Модель на испытательном стенде:

1— электровентилятор: 2— электрокалорифер; З — регулятор электрокалорифера; 4— приточный патрубок; 5 рециркуляционный канал; б— переключатель термопар; 7— измеритель температуры; 8микроманометр; 9— измеритель скорости воздуха;20— нулевой спай термопар.

К специальной модели, описывающей процессы формирования микроклимата предъявляются два требования:

-модель должна обладать высокой точностью для корректного обеспечения параметров в каждом помещении;

-модель должна обладать исключительным быстродействием реализации на компъютере в силу большого объема вычислительных действий.

Точность подобного рода моделей достигается за счет их идентификации в натурных условиях. Имеется в виду определение всех характеристик, определяющих тепловой, влажностный и газовый режима помещения, на основе измерений непосредственно в рассматриваемом помещении.

Быстродействие модели достигается за счет ее простоты. Известны модели, состоящие из простейших балансовых уравнений тепла, влаги, воздуха и газовых примесей и модели типа «вход-выход», не отражающие физическую сущность процессов.

Математическое моделирование представляет физические процессы в упрощенном идеализированном виде. В прежнее время, когда вычислительные возможности были сильно ограничены, основу изучения процессов формирования микроклимата составляло физическое моделирование.

Физическое моделирование осуществляется в натурных условиях и на геометрически подобных моделях. Натурные исследования проводят на действующих объектах. Возможны разовые обследования и длительные наблюдения (мониторинг) за объектом.

Изучение свойств объекта в натурных условиях имеет преимущество достоверности. Однако в натурных условиях затруднительно установить закономерности тех или иных процессов из-за большого числа помех случайного характера.

Этот недостаток скрадывается при длительном наблюдении объекта. При последующем осреднении результатов длительного наблюдения случайные факторы, действующие в ту или иную сторону, взаимно погашаются, проявляя таким образом основную закономерность процесса.

В настоящее время имеется большое разнообразие измерителей параметров микроклимата – температуры воздуха и поверхностей, влажности и подвижности воздуха, концентрации газовых примесей. Современные измерители обладают возможностью автономного сохранения результатов измерений за длительный период и периодического считывания результатов с помощью дистанционного сканирования. Это позволяет размещать измерители во многих точках помещения.

Результаты измерений обрабатываются и хранятся в компъютере. Следует иметь в виду, что полномерное проведение мониторинга микроклимата зданий и сооружений достаточно дорогостоящее мероприятие.

Помимо натурных обследований, возможно воспроизведение процессов в лабораторных условиях на моделях, подобных натурному объекту. Лабораторномодельный метод обладает рядом преимуществ перед методом исследований в натуре:

-возможностью изучения не выполненных еще в натуре объектов;

-возможностью систематического изучения влияния какого либо фактора, выделенного из всей совокупности влияющих на процесс факторов;

-возможностью изучения быстро протекающих явлений, неуловимых в натурных условиях.

Помимо этого моделирование оказывается дешевле натурных исследований.

При проведении эксперимента в натуре или на модели изучают конкретное явление и на основе обобщения результатов стремятся получить основания для расчета других родственных явлений.

Закономерно распространять результаты моделирования можно только на подобные явления. Применительно к моделированию процессов формирования микроклимата различают геометрическое, механическое и тепловое подобие.

Как известно из теории подобия, геометрическое подобие обусловлено равенством углов и пропорциональностью сходственных сторон в сравниваемых геометрических фигурах.

Под механическим подобием понимается пропорциональность скоростей и ускорений двух потоков, а также подобие сил, вызывающих подобные движения.

При тепловом подобии сохраняется подобие температуры и тепловых потоков Данные опыта можно распространять на подобные явления, у которых выполняются условия однозначности и численно равны определяющие критерии подобия..

Условиями однозначности, подлежащими воспроизведению на модели являются:

-геометрическая форма моделируемого помещения;

-расположение и форма приточных и вытяжных отверстий в помещении;

-скорость движения и температура воздуха в приточных и вытяжных отверстиях;

-физические параметры воздуха (плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность);

-источники и стоки тепла, влаги, паров и газов (расположение и форма, температура и концентрация, мощность).

Основными критериями механического подобия являются:

- Рейнольдса (Re), определяющий соотношение между инерционными силами и силами вязкости;

-Фруда (Fr), выражающий соотношение между гравитационными и инерционными силами;

-Архимеда (Ar), характеризующий соотношение сил инерции и вытеснения;

-Эйлера (Eu), определяющий соотношений сил давления и динамическими силами.

Тепловое подобие определяется следующими критериями:

-Прандтля (Pr),характеризующего физические свойства воздуха;

-Пекле тепловой (Pe), аналогичный критерию Рейнольдса;

-Нуссельта (Nu), характеризующий процесс теплообмена на границе между телом и жидкостью.

Во многих случаях выполнить все условия однозначности оказывается трудно. Здесь на помощь приходит замечательное свойство методологии моделирования, называемое автомодельностью. Область автомодельности – это такая область явления, в пределах которой не требуется соблюдения равенства отдельных критериев.

Наиболее распространенным явлением автомодельности, которым широко пользуются в моделировании аэродинамических и тепловых процессов, служит движение жидкости в зоне турбулентного течения. Это обстоятельство позволяет расширить возможности моделирования, заменив потокораспределение воздуха в натурных условиях потокораспределением воды. Условия подобия будут соблюдаться, если установлено, что течение в том и другом случае является развитым турбулентным. Проявлением этого условия обычно считают Re Примером подобного случая может служить моделирование аэродинамических процессов в гидравлическом лотке (см.рис.2.4).В этом устройстве движущийся поток воздуха моделируется движущимся по рабочему столу плоским потоком воды. Если в потоке оказывается контур испытуемого предмета (например здания), то задача состоит в визуализации характера движения воды в зоне возмущения. Для визуализации обычно используют алюминиевую пудру, которая равномерно растекается по поверхности воды и не тонет.

При фотографировании модели на снимке четко видны все завихрения и линии тока воды, которые оставляют движущиеся частички пудры. Описанный прибор моделирует плоскую картину или двухмерный процесс обтекания, Известны исследования потокораспределения в трехмерном, объемном лотке. Например, таким образом проводилось исследование характера обтекания здания потоком воздуха.

Другим примером автомодельности служит процесс свободного движения жидкости, вызванного разной плотностью. Так, при Gr Pr 2 10 7 закономерность процесса не зависит от линейного размера и температуры источника, что удобно использовать при моделировании конвективных течений и струй, не заботясь о равенстве критерия Архимеда в натуре и на модели.

Пересчет полученных на модели результатов подразумевают использование масштабных соотношений. Наиболее понятным является масштаб длин, равный отношению размеров объекта в натуре l н и на модели l м Масштаб длин назначается произвольно, исходя из удобных для работы размеров модели. Помимо масштаба длин используются масштабы и других моделируемых величин: температуры, скорости, расхода воздуха и тепловых потоков и т.д..

Масштабные соотношения, за исключением масштаба длин, назначаются исходя из условия равенства определяющих критериев подобия. Это означает, что масштабы отдельных величин должны соотноситься так же, как соотносятся эти величины в критерии подобия. Поясним это обстоятельство, предварительно заметив, что масштаб площади равен квадрату, а масштаб объема – кубу масштаба длин. Рассмотрим соотношение масштабов для случая моделирования процессов в помещении с конвективным источником. Условие однозначности, помимо соблюдения геометрического подобия, состоит в равенстве критерия Архимеда в натуре и на модели Arн = Arм.

Учитывая, что Ar = g, получим соотношение масштабов в следующем виде где:

m w -масштаб скорости;

m t -масштаб разности температуры;

mt -масштаб температуры.

Аналогично можно вывести соотношение для других масштабов.

В качестве примера на рис.2.5 показана модель производственного помещения, расположенная в лаборатории и предназначенная для исследования процессов формирования микроклимата при различных вариантах систем вентиляции.

Аналоговое моделирование – это разновидность физического моделирования, в котором реальный физический процесс заменяется другим физическим процессом, более удобным с точки зрения реализации. Так например, измерить распределение температуры в толще наружного ограждения в реальных условиях оказывается затруднительным. Пользуясь аналогией процесс теплопроводности в толще ограждения, можно заменить электропроводностью на модели. Причем электрические параметры измеряются достаточно просто.

В данном случае речь идет об электро-тепловой аналогии, которая вытекает из формально одинакового написания уравнения теплопроводности Фурье и так называемой телеграфной функцией – уравнения распространения электрического потенциала U в проводнике, которое для случая двухмерного распределения потенциала, имеет вид:

где R – электрическое сопротивление единицы длины двухмерного проводника;

C – электроемкость, рассчитанная на единицу длины.

Уравнение электропроводности становится тождественным уравнению теплопроводности, если в последнем коэффициент температуропроводности численно равен электрической проводимости 1/RС. Для стационарной теплопередачи электротепловая аналогия вытекает из тождественных законов Ома и Ньютона Как видно из записи уравнений, плотность теплового потока q аналогична силе тока I, а температура – электрическому потенциалу U и термическое сопротивление R - электрическому сопротивлению Rэ. Помимо этого аналогичны тепловая и электрическая емкости C т и С э.

Для решения практических задач используют устройства, называемые электроинтеграторами. Используют два вида устройств: моделирующие цепи и геометрические аналоги. В первом виде устройств обычно моделируют процессы лучисто-конвективного теплообмена и одномерной или двухмерной теплопроводности в ограждениях. Интеграторы второго вида используют токопроводящую бумагу, на которой воспроизводится двухмерный процесс теплопроводности в толще ограждений.

В отечественной практике температурные поля рассчитывались на электроинтеграторах ЭИ-12 и ЭГДА: первый прибор в 1944 г. разработал Л.И Гутенмахер, второй - П.Ф. Фильчаков на основе предложенного в 1845 г.

Г.Кирхгофом метода моделирования на токопроводящей бумаге.

Электроинтегратор ЭИ-12 представляет собой сеть, между узлами которой включены омические сопротивления, пересчитываемые по масштабному соотношению по предварительно вычисленным термическим сопротивлениям сетки, наложенной на ограждения. В 60-е годы расчетами нестационарного теплового режима помещения на электроинтеграторе УСМ-1 занималась В.К.

Ивашкова.

За рубежом использование электротепловой аналогии связано с именем Л.

Бойкена, который в 1936 г. создал электроинтегратор на основе электрической RС-цепи (“Бойкен – модель”). В последующие десятилетия электроинтеграторы, именуемые моделью Бойкена, создавались в США, Германии, Нидерландах.

При моделировании на интеграторе с моделирующими цепями теплопроводности в строительных ограждениях переходят от непрерывного к дискретному распределению емкостей и сопротивления в моделируемой среде в виде R-С ячеек. В математическом представлении это означает переход от дифференциальной к конечно-разностной форме записи уравнения теплопроводности.

Деление сечения ограждения на элементарные слои вносит математическую ошибку, величина которой зависит от вида краевых условий, числа элементарных слоев и видом включения в цепь моделирующих эти слои R-C ячеек.

В качестве примера на рис.2.8 представлена принципиальная электрическая схема модели помещения для моделирования нестационарного теплового режима. Модель включает цепи последовательно включенных R-C ячеек, моделирующих разбивку на элементарные слои внутренних ограждений и наружной стены. При этом, предполагается, что внутренние ограждения имеют ось тепловой симметрии, то есть испытуемое помещение окружено помещениями ограждения имеют с таким же тепловым режимом.

Поверхности ограждений соединяются между собой попарно через сопротивления, моделирующие сопротивление лучистому теплообмену (см.рис.2.7), составляя таким образом систему лучистого теплообмена в помещении. Конвективный теплообмен ограждений моделируется включением поверхностей через сопротивление на общий контакт, на котором измеряется потенциаланалог температуры воздуха.

Возмущающие воздействия на помещение – переменные тепловые потоки или изменение температуры моделируется переменным напряжением или током, которые подаются на контакты – поверхности и воздух. Изменение напряжения или тока во времени по заданному закону формируется электромеханическим генератором функций. Специальный блок суммирует показания напряжения, аналогичные температуре поверхностей и таким образом определяет радиационную температуру помещения.

Расчет электрических сопротивлений и емкостей, силы и напряжения тока, времени и геометрических размеров на модели проводится с помощью масштабных соотношений между тепловыми и электрическими величинами..

Расчеты на электроинтеграторе, которые в свое время компенсировали отсутствие вычислительной техники, могут эффективно сочетаться с современными компъютерными технологиями. Соединение компъютера с электроинтегратором через интерфейс позволяет существенно расширить возможности моделирования при формировании различных функций времени возмущающих воздействий, фиксации, пересчета и хранения измерений электрических величин.

Рис.2.8.Принципиальная электрическая схема модели для расчета нестационарного теплового режима помещения Вопросы для самопроверки.

1.Что такое моделирование процессов формирования микроклимата помещения?

2.Какие цели преследует моделирование процессов формирования микроклимата?

3.Назовите виды моделирования процессов формирования микроклимата.

4.Что такое математическая модель с распределенными параметрами?

5.Чем отличается математическая модель с распределенными параметрами от модели с частично распределенными параметрами?

6.Что такое точечная модель и почему она так называется?

7.Какие уравнения составляют математическую модель трехмерного распределения параметров микроклимата в помещении?

8.Что такое граничные и начальные условия математической модели?

9.Каками методами решается система уравнений математической модели с распределенными параметрами?

10.Какие основные упрощения принимают в математической модели с сосредоточенными параметрами?

11.В чем особенности двухзонной математической модели?

12.Для каких целей служат управляющие математические модели?

13.Какие виды физического моделирования используются при решении задач обеспечения микроклимата?

14.Назовите основные преимущества лабораторного физического моделирования.

15.Назовите условия однозначности процессов, протекающих на модели и в натуре.

16.В чем смысл свойства автомодельности процессов?

17.Что показывают масштабные соотношения при моделировании?

18.На чем основано аналоговой моделирование?

19. Назовите электрические аналоги тепловым величинам.

20.Что такое электроинтегратор и какие типы этих приборов используются при моделировании процессов в помещении?

Литература к разделу 2.1.Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. Техническая библиотека НП «АВОК». М.,Авок-пресс.2002.

2.2. Табунщиков Ю.А., Хромец Д.Ю.,Матросов Ю. А. Тепловая защита ограждающих конструкций. М., Стройиздат, 1986.

2.3. Савин В.К. Строительная физика.М.,Лазурь, 2005.

2.4.В.Н.Богословский, М.Я.Поз. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.,Стройиздат, 1983.

2.5. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции. М., Профиздат, 1990.

2.6. Фильчаков Ф.П., Паншин В.И. Интеграторы ЭГ.ДА. Моделирование потенциальных полей на электропроводной бумаге. Киев, изд-во АНУССР, 1961.

2.7. Jnt. Kongress fr Elektrowrme. Wiesbaden, 1963/ Bericht №623.

2.8. Ивашкова В.К., Канышкина З.С, Некрасова Б.В. Влияние коэффи-циента тепловой энерции ограждающих конструкций зданий на температурный режим в помещениях //Применение достижений современной физики в строительстве. М., Стройиздат, 1967.

2.9. Ретах В.С, Корнеева Е.Н. Исследование течения воздуха и распределения тепла при прямоточной вентиляции крупных производственных корпусов на основе численного решения уравнений Навье-Стокса //Очистка воздуха в промышленных зданиях. М., 1980.

2.10. Аксенов А.А., Гудзовский А.В. Программный комплекс Flow Vision для решения задач аэродинамики и тепломассопереноса методами численного моделирования. Сб. докладов III-го съезда АВОК. СПб, 1993.

2.11. Позин Г.М. Основы расчета теплового режима производственных помещений с механической вентиляцией. Дисс. д-ра техн. наук. Л.ВНИИОТ, 1990.

2.12. Кувшинов Ю.Я. Расчет нестационарного теплового режима помещения.

//Водоснабжение и санитарная техника. 1981. №6.

3.МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЯ

В состоянии покоя взрослый человек потребляет 15 л/ч кислорода, при выполнении физической работы эта цифра возрастает почти до 180 л/ч. Выделяющееся при сгорании 15 л/ч кислорода (в состоянии покоя) количество теплоты составляет 88 Вт и может достигать 1060 Вт.

Рассчитанная по количеству потребляемого кислорода метаболическая тепловая энергия М, Вт/м2, выражается формулой где 5,8 – энергетический эквивалент 1 л кислорода при нулевой температуре и нормальном барометрическом давлении и = 1 Вт ч/л;

– соотношение количества выдыхаемого углекислого газа и вдыхаемого кислоV рода;

VО – потребление кислорода в нормальных физических условиях, л/ч;

Ид – площадь поверхности организма человека, м2:

здесь G – масса человека, кг;

L – рост человека, м.

Эти формулы основаны на результатах многочисленных испытаний, проведенных гигиенистами в разных странах и в различных условиях. Данные авторов по энергетическому балансу человека часто расходятся. В то же время на практике используют классификацию, в которой различают три степени тяжести работы:

а) легкая (обычно сидячая), в ходе которой потребление кислорода не более чем в 2 раза превышает его потребление в состоянии покоя, т.е. меньше 30 л/ч;

энергозатраты при этом составляют менее 175 Вт;

б) средней тяжести, в ходе которой потребление кислорода в 2-4 раза больше, чем в состоянии покоя; такая деятельность соответствует энергозатратам, достигающим 300 Вт, к ней относят рукоделие и механизированный труд;

в) тяжелая, в ходе которой потребление кислорода в 4-8 раз больше, чем в состоянии покоя; такая деятельность соответствует энергозатратам, превышающим 300 Вт (до 700 Вт), к ней относят большинство профессий, требующих больших физических усилий.

В результате обменных процессов только часть вырабатываемой энергии превращается в механическую. По некоторым данным, коэффициент полезного использования энергии = 20%. По П.О.Фангеру, эту значение следует рассматривать как максимально возможное. Малая часть метаболической теплоты расходуется на обеспечение внутриобменных процессов, следовательно, большую ее долю надо удалять из организма. Теплообмен между организмом и окружающей средой происходит путем радиации, конвекции, теплопроводности и испарения.

Теплоотдача организма определяется температурой кожи, воздуха и окружающих человека поверхностей, парциальным давлением водяного пара в воздухе, скоростью потока воздуха, омывающего человека, и зависит от вида одежды и площади поверхности организма.

Внутриобменные процессы в организме протекают при температуре 37±0,50С. По мере изменения метаболического фактора начинает функционировать система терморегуляции, в задачу которой входит поддержание постоянства температуры человеческого тела. Управляет этим процессом кора большого полушария головного мозга, которая передает импульс центрам охлаждения и нагревания, получающим по нервным волокнам информацию от кровеносных сосудов терморецепторов кожи. Эти тепловые центры мозга регулируют движение крови и вызывают сосудодвигательную циркуляцию крови в коже.

Тепловой режим живой ткани зависит от количества крови, протекающей под поверхностью кожи. Понижение температуры окружающей среды вызывает охлаждение кожи, в результате чего капиллярные кровеносные сосуды сужаются, объем протекающей по ним крови сокращается и уменьшается теплоотдача телом человека. Иными словами, можно говорить об увеличении термического сопротивления кожного покрова.

По мере повышения температуры окружающей среды расширяются кровеносные сосуды, к поверхности притекает большее количество крови, что увеличивает теплоотдачу и уменьшает термическое сопротивление ткани. Очевидно, переохлаждение организма представляет для человека большую опасность, чем его перегрев, об этом говорит существенно большее число рецепторов кожи, чувствительных к холоду (до 250000), по сравнению с терморецепторами, реагирующими на избыточное тепловое раздражение (примерно 30000). Об ограниченных возможностях терморегуляции свидетельствует термическое сопротивление кожи, составляющее от 0,04 до 0,09 м2 0С/Вт.

Особо следует отметить влияние радиационного теплообмена на терморегуляцию организма человека. Лучистые длинноволновые потоки, проникая глубже, приводят к охлаждению и нагреву глубоколежащих тканей. При этом нарушается стереотип теплоотдачи, замедляется реакция сосудистой системы, что отрицательно сказывается на иммунобиологической реакции организма.

Существенным фактором физиологического воздействия на организм человека является влажность воздуха, влияние которой на тепловой комфорт связано с дыхательным трактом человека. Г.Эверт установил, что скорость движения слизи, покрывающей носовую полость, дыхательные пути и альвеолы легких, зависит главным образом от относительной влажности вдыхаемого воздуха.

Если влажность составляет менее 40%, то слизь движется с небольшой скоростью, налипая на оболочки (рис.3.1). В результате сокращается подвижность эпителия, что способствует проникновению в легкие бактерий и вирусов. Исходя из этого, Рис. 3.1. Зависимость между относительной влажностью вдыхаемого воздуха и скоростью движения слизи: а - для курящих; б - для некурящих; точки на линиях соответствуют средней скорости слизи при относительототносительной влажности 43,6 % влажности. Тепло в результате испарения влаги отводится из легких и дыхательных путей, а также при потоотделении. Установлено, что организм испаряет за сутки 800-1000 г влаги, или в тепловом эквиваленте 2100-2500 кДж, что составляет 20-25 % отдаваемого тепла.

Влагоотдача, а следовательно скрытая теплоотдача организма, зависят от температуры воздуха (рис.3.2). Потоотделение начинается при температуре 28С, а свыше 340С теплоотдача испарением вообще остается единственным способом. Новейшие исследования П.О.Фангера расширяют существующие представления о влиянии влажности на теплоощущения человека. Было выявлено, что воздуха. Высокая энтальпия означает низкую способность вдыхаемого воздуха охлаждать слизистые оболочки дыхательных Рис. 3.3. Восприятие чистого воздуха при разной энтальпии воздуха в помещении путей путем конвекции и испарения.

(воздействие на все тело в целом):

1 - процентная доля испытуемых, недовольных тепловлажностным состоянием 2 - энтальпия воздуха, кДж/кг на дыхательные пути и, следовательно, на воспринимаемое качество воздуха на порядок сильнее, чем в отношении тепловых ощущений тела человека. Энтальпия воздуха зависит от его влагосодержания: низкое (обычно холодной зимой) неблагоприятно воздействует на кожу человека – она становится сухой и может растрескиваться от натяжения.

В создании теплового комфорта в помещении «участвует» подвижность воздуха. Например, малая подвижность или отсутствие движения воздуха создают впечатление затхлости, так как вокруг тела человека образуется тонкая воздушная оболочка, имеющая высокую температуру и насыщенная водяным паром. В результате затрудняется тепло- и влагообмен с окружающим воздухом. Минимальная подвижность воздуха, разрушающая эту оболочку, по данным разных авторов, составляет 0,05-0,1 м/с. Чрезмерная подвижность воздуха вызывает ощущение сквозняка. Из-за охлаждающего воздействия движущегося воздуха нарушается тепловосприятие кожного покрова, причем как только эффект охлаждения превысит некоторое критическое значение, подвержены воздействию сквозняка затылок и лодыжки, при этом подвижность воздуха ограничена 0,15 м/с. Область комфортного сочетания подвижности и температуры указана на рис.3.4.

Рис. 3.4. Область комфортного сочетания подвижности и температуры но и с ее пульсацией, т.е. турбулентностью воздуха. П.О.Фангер и К.К.Педерсен установили, что при значениях скорости движения и температуры воздуха, отвечающих требованиям теплового комфорта, большое число испытуемых не ощущают комфорта. Объяснение тому особенная восприимчивость к переменам органов чувств человека.

На рис.3.5. показано сочетание температуры, подвижности и турбулентности, соответствующее ощущению комфорта у 85% испытуемых людей.

3.2. Физиологические основы воздушного комфорта в помещении Здоровая обстановка в помещении подразумевает близкий нативному состав воздуха, отсутствие в нем вредных примеРис. 3.5. Сочетание средней скорости сей и неприятных запахов. В такой обста- движения воздуха 1, температуры форт, что очень важно, ведь большую часть жизни он проводит в замкнутом объеме помещения и вынужден дышать внутренним воздухом.

Нарушение комфортного ощущения воздушной среды в гражданских зданиях связано со следующими причинами:

• накоплением антропотоксинов;

• деструкцией полимерных материалов в помещении;

• фоновым загрязнением наружного воздуха, подаваемого в помещение;

• деструкцией наружного воздуха при обработке в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

В промышленных зданиях воздух может быть загрязнен также токсичными парами, газами, аэрозолями и пылью, выделяющимися в технологическом процессе. Попадая в организм через дыхательные пути, кожу и пищу, токсичные вещества могут вызывать отравление. Степень воздействия их на человека зависит от вредности вещества, его концентрации в воздухе помещения (обычно измеряется в мг массы вещества на 1 м3 воздуха), продолжительности действия.

Наиболее распространены такие вредные вещества, как:

1) окись углерода - угарный газ без цвета и запаха, образующийся в результате неполного сгорания топлива; он хорошо смешивается с воздухом, легко соединяется с гемоглобином крови, связывает его и вызывает кислородное голодание организма, что приводит к потере сознания и затем - к смерти;

2) окислы азота – газы, образующиеся при сгорании топлива, они вызывают раздражение легких; воздействуя на астматиков и детей наихудшим образом, увеличивают риск респираторных заболеваний;

3) летучие химические соединения - в основном пары растворителей и чистящих бытовых веществ, при длительном воздействии раздражающие слизистую оболочку глаз и дыхательные пути, отрицательно влияющие на нервную систему, кожу, печень и почки;

4) формальдегид – бесцветный газ с резким запахом, выделяющийся из древесно-стружечных плит (мебели, отделочных материалов), а также пенопластовых уреаформальдегидных материалов (теплоизоляционных); малые концентрации способствуют раздражению глаз, носа и горла, при более высоких концентрациях появляется ощущение тошноты и одышка;

5) радон – радиоактивный природный газ, не имеющий цвета, запаха и вкуса; он выделяется из грунтов, содержащих повышенную концентрацию урана (радия), который в малом количестве имеется во всех почвах и породах; наибольшая концентрация радона возможна в подвалах и помещениях первого этажа; долговременное воздействие радона повышает риск заболевания раком легких;

6) волокнистые пыли, состоящие из мелких волокон минералов или синтетических минеральных веществ; наиболее опасны волокна асбеста, который до недавнего времени широко использовался как строительный материал и в качестве теплоизоляции; проникая в легкие, пыль от волокон раздражает и повреждает ткани, что может привести к тяжелым заболеваниям, в том числе раку легких;

7) свинец и его соединения, испаряющиеся при температуре более 500 0С, образует аэрозоли окислов; его широко применяют для приготовления красок, в качестве добавок к бензину. Попадая в кровь в больших дозах, он нарушает работу нервной системы, почек и системы кровоснабжения; в малых дозах отрицательно воздействует на умственное и физическое развитие детей.

8) биологические загрязняющие вещества:

• плесень - разновидность грибов, обнаруживаемая в сырых, плохо вентилируемых помещениях; вызывает у чувствительных людей аллергические реакции, сходные с сенной лихорадкой или астмой;

• пыль биологического происхождения, попадающая снаружи (частицы почвы, цветочная пыль, пылевые клещики) или возникающая внутри помещения (перхоть кошек и собак, птичьи перья, споры плесневых грибов, тараканы), медленно выводится из организма, вызывает аллергические реакции;

• бактерии, накопившиеся в помещении, особенно в бумажных обоях, попадая в помещение с вентиляционным воздухом, становятся источником инфекционных заболеваний;

9) табачный дым, содержащий капельки смолы и других вредных веществ, вызывает легочные заболевания, в том числе рак легких даже у некурящих людей;

особенно велико вредное воздействие дыма на детей.

На промышленных предприятиях, кроме того, выделяется сернистый газ, пары синильной кислоты, пары и пыль марганца, пары ртути и другие высокотоксичные пары и газы, а также многочисленные виды пыли, дымы, возникающие в результате механической обработки, а также горения и возгонки материалов.

Одно из условий воздушного комфорта - это отсутствие в воздухе неприятных запахов, сопутствующих выделению необязательно токсичных веществ. В прошлые эпохи с запахами боролись, сжигая в помещении благовония, что заменяло вентиляцию. В настоящее время отсутствие неприятных запахов является одним из безусловных требований к кондиционируемому воздуху.

Применительно к способам дезодорации, запахи подразделяют на легко растворимые и трудно растворимые в воде. К первым относят запахи, выделяемые человеческим телом. Они легко устранимы при обработке воздуха в орошаемых водой слоях или в форсуночных камерах. Для удаления трудно растворимых в воде запахов (органических веществ, духов, сероводорода, кухонных запахов и т.п.) необходимо использовать сильно окисляющие агенты (озон, хлор), термическую обработку воздуха. Невысокая концентрация пахнущих веществ удаляется при прохождении через активированный уголь. Однако все перечисленное технически трудно осуществимо, поэтому лучший способ борьбы с вредными запахами - локализующая и общеобменная вентиляция.

Выявление гигиенически обоснованного воздухообмена в помещении основано на замещении в воздухе углекислого газа СО2, избыток и недостаток которого во вдыхаемом воздухе одинаково вредно отражается на состоянии организма.

Его работоспособность и физиологические функции существенно не изменяются, если содержание углекислого газа во вдыхаемом воздухе составляет 0,04-0,5 %.

Потребность в свежем воздухе для одного человека составит 20 м3/ч, если принять концентрацию СО2 в воздухе помещения, равную 0,1%, однако при подаче такого воздуха большое число людей ощущает дискомфорт. Потребное количество свежего воздуха следует определять из условия разбавления комплекса токсичных веществ, выделяющихся в процессе жизнедеятельности организма человека, - так называемых антропотоксинов. Из более чем 30 вредных веществ некоторые высокотоксичны и выделение организмом таких веществ означает превышение их предельно допустимой концентрации в воздухе.

По данным отечественных гигиенистов, при подаче в помещение 60 м3/ч свежего воздуха на одного человека ощущение дискомфорта наблюдается у 25 % испытуемых; лишь 5% недовольны, если в помещение поступает не менее м3/ч свежего воздуха на одного человека. Однако для полного ощущения комфорта только подачи нужного количества воздуха оказывается недостаточным. Установлено, что в помещениях, оборудованных воздушным отоплением и кондиционерами, при соблюдении всех комфортных условий ощущается дискомфорт, что объясняется нарушением озоно-ионного состава воздуха.

Как известно, отрицательные ионы кислорода благотворно воздействуют на человека, причем легкие ионы предпочтительнее, чем тяжелые. В то же время при обработке воздуха в кондиционерах происходит деструкция ионного состава воздуха. По данным Ю.Д.Губернского, этот процесс настолько губителен, что содержание легких отрицательных ионов в помещении в среднем сокращается в раз. После обработки наружного воздуха в оросительной камере доля легких отрицательных ионов составляет 0,7% от нативной, а в соплах эжекционных доводчиков их количество уменьшается в 72 раза.

Аналогичный процесс деструкции распространяется на такой важный компонент комфортного ощущения, как содержание озона, которое в помещении в 30-100 раз меньше, чем в наружном воздухе.

Приведенные данные свидетельствуют о предпочтительности с гигиенической точки зрения естественного проветривания, а также о желательности восстановления озоно-ионного состава воздуха, например, с помощью ионизаторов.

3.3.Комфортные условия микроклимата Русский исследователь И.И.Флавицкий в 1884 г. выявил комплексное воздействие метеорологических факторов на человека. Это обстоятельство означает, что ощущение теплового комфорта появляется, если параметры микроклимата находятся в определенном сочетании.

Рис.3.6. Комфортное сочетание температуры воздуха и радиационной температуры помещения Радиационную температуру рассматривают как осредненную по площади температуру внутренних поверхностей в помещении. Температура помещения может быть измерена с помощью шарового термометра.

Данные о комфортных сочетаниях температуры воздуха и радиационной температуры приводит ряд авторов. Так, для легкой работы, выполняемой человеком, В.Н. Богословский дает следующие показатели комфорта:

для холодного периода для теплого периода Показатели комфорта по В.Ф.Раберу и Ф.М. Гатчинсону таковы:

Комфортное сочетание tВ и tR по данным Т.Бедфорда и В.Лизе показано на рис.3.6.

Сочетание температуры воздуха, поверхностей, скорости и относительной влажности воздуха определяют по диаграмме для эффективной температуры, Рис. 3.7. Карта (диаграмма) нормально эффек- в – нижняя граница комфорта тивных и эквивалентно эффективных температур разработанной Хьюстоном, Яглоу и Мюллером. На рис.3.7 показана аналогичная диаграмма, разработанная в институте профзаболеваний им.Обуха, а по данным А.Мачкаши – на рис.3.8.

В последние десятилетия общепризнаны материалы о тепловом комфорте, опубликованные П.О.Фангером. Из рассмотрения балансовых уравнений явной и скрытой теплоотдачи человеком и на основании многочисленных опытов он получил уравнение теплового комфорта:

- удельное значение метаболического тепла, Вт/м2;

где – механический коэффициент полезного действия;

Р – парциальное давление водяного пара в воздухе, мм рт.ст.;

tод - температура одежды, ОС;

k – коэффициент теплопередачи одежды, кло (1 кло = 0,155 м2 oС/Вт);

в– коэффициент теплообмена, Вт /м2 ОС.

Температура одежды рассчитывается по формуле где Rод - сопротивление теплопроводности одежды, м3 oС/Вт.

В уравнении комфорта учтены различные факторы, определяющие ощущения теплового комфорта: параметры микроклимата - tВ, tR, Р, V (в скрытом виде); одежда человека - k, Rод; характер физической работы -,.

Эту модель можно отобразить с помощью номограмм, позволяющих последовательно выбрать комфортное сочетание параметров.

Помимо уравнений теплового комфорта П.О.Фангер предложил метод расчета теплоощущения человеком, позволяющий путем сопоставления фактических параметров и расчетных выявить степень дискомфорта в отдельных точках помещения. На основе приведенной ниже шкалы ожидаемых значений теплоощущения (РМV) можно численно оценить субъективное психофизиологическое ощущение человека:

При разработке шкалы П.О.Фангер исходил из следующего: чем больше напряжение механизма терморегуляции для поддержания теплового баланса, тем больше степень дискомфорта. В данном случае степень дискомфорта зависит от разности теплопродукции организма и теплоотдачи в окружающую среду. Эту разность называют нагрузкой Qо, которая, в свою очередь, определяется фактическими параметрами микроклимата и может быть детерминирована уравнениями теплообмена организма, положенными в основу уравнений комфорта.

На основе собственных экспериментов и опытных данных других исследователей П.О.Фангер получил следующую формулу для расчета в условиях равенства температуры воздуха и радиационной температуры и при относительной Рис. 3.9. Кривые изолиний PMV для школьного класса (по данным П.О. Фангера) виде таблиц. Разработаны корректируюРис. 3.10. Зависимость между ожищие диаграммы для случая, когда отнодаемым числом людей, недовольных тепловой обстановкой 1, и показате- сительная влажность воздуха отличается лем теплоощущения PMV от 50 %, а tВ tR. Практическое применение РМV наглядно демонстрируется данными, приведенными рис.3.9, где показаны изолинии РМV для школьного класса.

На основе эксперимента, в котором участвовало большое число людей, П.О.Фангер выявил зависимость между ожидаемым числом людей, недовольных тепловой обстановкой, и показателем теплоощущения (рис.3.10). Как видим, кривая симметрична относительно РМV = 0, при этом дискомфорт ощущают 5 % людей. В практических расчетах принимают оптимальное значение этого показателя, равное 25 %.

3.4. Технологические требования к параметрам микроклимата Современные технологии в таких отраслях, как точное машиностроение, радиотехническая, химическая, пищевая, текстильная, полиграфическая промышленность, производство синтетических волокон и др., не эффективны без поддержания круглый год определенных сочетаний температуры и влажности воздуха, его подвижности, а также чистоты. Производство интегральных микросхем, функционирование предприятий микробиологической промышленности возможны только в замкнутом объеме, где к чистоте воздуха предъявляют специальные требования.

Технологические требования к значениям температуры и влажности возду ха и их изменению обусловлены физико-химическими свойствами обрабатываемых, производимых или хранимых материалов и изделий. Так, влажность воздуха влияет на свойства гигроскопичных материалов, а следовательно, и на качество изделий из них. В табл. 3.1 приведены данные о равновесной влажности в процентах к весу сухого материала при температуре 24 oС.

Как видно, масса материалов, широко используемых в полиграфической, текстильной и кожевенной промышленности, значительно меняется по мере изменения влажности, причем влияние температуры сказывается меньше, чем влияние влажности. Например, в текстильной промышленности 5%-ное колебание относительной влажности воздуха дает изменение свойств пряжи более существенное, чем при изменении температуры на 100С.

Что касается других производств и отраслей, то:

1) в окрасочном производстве при сушке лака нужна повышенная влажность воздуха - примерно 65 %, что связано с тормозящим воздействием высокой влажности на поверхностное окисление и свободным выходом газов без образования пузырей;

2) в прецизионном машиностроении - наоборот, изменение температуры воздуха ведет к недопустимо большому увеличению или уменьшению размеров деталей из-за линейного расширения материалов; так, при нанесения рисок на измерительные лимбы металлообрабатывающих станков допустимые колебания температуры воздуха составляют ± 0,01 0С;

3) в помещениях для хранения и обработки углеродистой стали необходима пониженная влажность воздуха (30 - 45 %), так как по мере увеличения влажности - особенно быстро после достижения 65 % - возрастает скорость коррозии металла; для защиты полированных поверхностей от микрокоррозии также следует поддерживать низкую температуру и низкую влажность воздуха;

4) опасно в ряде производств и неприятно в быту и общественных зданиях накапливаемое статическое электричество; вред от него можно свести к минимуму, если относительная влажность воздуха будет более 55 %;

5) в прядильных и ткацких цехах особенно велико влияние статического электричества на эластичность и обрывность волокна, поэтому также требуется повышенная влажность воздуха;

6) при производстве химических волокон, например, в камере предсозревания щелочной целлюлозы необходимо поддерживать температуру воздуха 30- С при относительной влажности не ниже 90 %;

7) в полиграфическом производстве повышенная влажность воздуха обеспечивает требуемое качество бумаги и предупреждает накопление статического электричества, а колебания влажности более ± 5 % влияют на размеры бумажного волокна, что ухудшает качество многоцветной печати;

8) в производстве интегральных схем методом фотопечати в чистых помещениях, одном из современных технологических процессов, колебания температуры и влажности вызывают изменения размеров сверхтонких пленок, на которые наносится интегральная схема, что недопустимо, поэтому в подобного рода процессах возможны колебания температуры ±0,05 0С и относительной влажности ±0,5%. Особые требования предъявляются в этом производстве к чистоте воздуха, что вполне понятно: попадание даже самой маленькой пылинки между слоями микропленок, толщина которых находится на молекулярном уровне, выводит элемент в брак (в соответствии с американским стандартом класс чистоты помещения исчисляется числом пылинок размером более 0,5 мкм в одном кубическом футе воздуха);

9) в некоторых отраслях пищевой промышленности, в частности мясоперерабатывающих и подсобных цехах, производстве шоколада и изделий из него и др. важно поддержание заданных параметров воздушной среды; так, определенное сочетание температуры и влажности воздуха обеспечивает эффективный процесс откорма скота и птицы.

Рис. 3.11. Области сочетания температуры и влажности воздуха, оптимальные по технологическим требованиям для производства бумажной и полиграфической промышленности 1, точного машиностроения 2, текстильной 3, электротехнической 4 и химической 5 промышленности На рис. 3.11 показаны области сочетания температуры и относительной влажности воздуха для отдельных технологических процессов.

Вопросы для самопроверки.

1.Что такое метаболические процессы, протекающие в организме человека?

2.Как принято подразделять виды работы по степени тяжести?

3.В чем состоит принцип терморегуляции организма человека?

4.Сформулируйте особенности восприятия организмом человека лучистых потоков тепла.

5.В чем состоит физиологическое воздействие на организм человека влажности воздуха?

6.Какова роль подвижности воздуха в создании теплового комфорта в помещении?

7.Какие факторы определяют состояние воздушного комфорта в помещении?

8.Укажите основные причины нарушения воздушного комфорта.

9.Назовите наиболее распространенные вредные вещества, загрязняющие воздух промышленных помещений и характер их токсикологического действия.

10.Каким образом подразделяются запахи в помещении?

11.На чем базируется гигиеническое обоснование воздухообмена в помещении?

12.Какова санитарная норма наружного воздуха?

13.Какие ионы оказывают благотворное воздействие на организм человека?

14.Что такое радиационная температура и температура помещения?

15.Каким образом можно установить комфортное сочетание температуры помещения, воздуха и радиационной температуры?

16.В чем состоят основные положения метода О.Фангера оценки теплоощущения человеком?

17.Каковы технологические требования к микроклимату помещения, в котором находятся гигроскопические материалы?

18.Назовите примеры технологических процессов, на которые оказывает влияние микроклимат помещения.

3.1. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещений. М., Стройиздат, 1981.

3.2. Крум Д, Робертс Б. Кондиционирование воздуха. М., Стройиздат, 1980.

3.3. Ewert G. International Rhinology, 4,25 (1966).

3.4. Фангер П.О. Качество воздуха в ХХ1 веке. Журнал АВОК. 2000. №2.

3.5. Fanger P.O. and Pedersen C.K. Discomfort due to air velocities in spaces // Proc of the meeting of Commission B1, B2,E1 of the IIR, Belgrade. 1977,4.

3.6. Губернский Ю.Д. Гигиенические аспекты обеспечения оптимальных условий внутренней среды жилых и общественных зданий. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора медицинских наук. М., 1976.

3.7. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М. Высшая школа, 1982.

3.8. Raber B.F., Hutchinson F.M. Panel heating and cooling analysis. John Wilce and Sons. Inc., 1947.

3.9. Bedford Th. Basic Principles of Ventilation and Heating 2. London N,K. Lewis, 3.10. Мухин В.В. Кондиционирование воздуха в пищевой промышленности. Изд. «Пищевая промышленность», М., 1967.

3.11. Fanger P.O. Thermal Comfort, Danish Technical Press, Copenhagen, 1970.

3.12. Юрманов Б.Н. Автоматизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Л. Стройиздат, 1976.

Микроклимат в помещениях формируется за счет возмущающих воздействий внешней среды и технологического процесса внутри здания, нейтрализуемых системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха Взаимодействие здания с внешней средой проявляется в виде потоков тепла, влаги и воздуха, приходящих извне внутрь или наоборот. Направление и интенсивность тепло-влаго-воздухопередачи через наружные ограждения обусловлены разностью потенциалов переноса.

Схема воздействия наружной среды на тепло-массопередачу наружных ограждений представлена на рис. 4.1. Определяющими являются параметры наружной среды: температура воздуха (tH), температура грунта (trp) и небосвода (tнеб), скорость и направление ветра ( V ), интенсивность прямой (S) и диффузной Теплопередача через наружные ограждения обусловлена разностью температуры наружной и внутренней среды. Для определения понятия температуры наружной среды следует рассмотреть условия теплообмена на наружной поверхности (см. рис.4.2).

Теплообмен наружной поверхности складывается из лучистого и конвективного. Уравнение теплового баланса на поверхности имеет вид где t – температура наружной поверхности, oС;

tRн – радиационная температура наружной среды, oС;

qп – поток тепла, проходящий через поверхность, Вт/м2;

q – интенсивность падающей на поверхность суммарной солнечной радиации p – коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью;

н.л, н.к – коэффициенты соответственно лучистого и конвективного теплообмена, Вт/(м2oC).

Введем в уравнение (4.1) температуру наружной среды tнар равную Для учета тепла солнечной радиации, поглощенного поверхностью ограждения используется понятие условной температуры, (4.4) Уравнение (4.1) в этом случае приобретает вид (4.5) где н - суммарный коэффициент теплообмена на наружной поверхности, Вт/м20С:

Наружная поверхность обменивается конвективным теплом с наружным воздухом и лучистым теплом с небосводом, грунтом и противостоящими зданиями.

Условия лучистого теплообмена рассмотрены в разделе 5.1. Коэффициент лучистого теплообмена поверхности, расположенной под углом к горизонту, находят по формуле:

где – коэффициент излучения наружной поверхности ограждения.

Конвективный теплообмен на наружной поверхности протекает в режиме вынужденной конвекции. Для выяснения закономерности течения воздуха у внешних поверхностей рассмотрим аэродинамику здания.

Как известно (см.раздел 6.1), у наветренной поверхности происходит плоскопараллельное движение воздуха, а на заветренных поверхностях образуются вихри.

считать, что непосредственно у поверхноРис. 4.3. Идеализированная картина сти также имеет место плоское обтекание.

обтекания пластины На рис.4.3 показана идеализированная картина обтекания пластины, когда набегающий по нормали поток растекается по поверхности. Таким образом, для выбора критериальной зависимости конвективного теплообмена следует принять условия обтекания плоской пластины.

Известно, что турбулентный режим течения характеризуется критическим числом Рейнольдса Re > 5105. Это означает, что при температуре воздуха tн = 00С турбулентный режим соответствует произведению скорости ветра V на характерный размер : V > 6,8. Если принять минимальную скорость ветра, равную м/с, то характерный размер > 6,8, м. Это условие удовлетворяется практически во всех случаях обтекания здания. Для турбулентного обтекания пластины используют критериальное уравнение Nu = 0,032 Re 0,8, где критерий Нуссельта получаем значение среднего коэффициента конвективного теплообмена при нулевой температуре Для учета температуры воздуха можно применить поправку Когда поток набегает на фасады здания, то скорость его течения по плоскости отличается от скорости ветра. Если приравнять полное давление потоков вдали от здания и на его поверхности, то с учетом уравнения Бернулли получим соотношение искомой скорости обтекания Vх и скорости ветра V:

где k – аэродинамический коэффициент (см. раздел 6.1).

Отсюда следует, что на наветренной стороне, где k > 0, наблюдается торможение потока, а на заветренной стороне, где k < 0, – ускорение. Этот вывод соответствует физической сущности процесса. Таким образом, в окончательном виде получим формулу расчета коэффициента теплообмена на наружной поверхности:

В упрощенном виде это выражение имеет вид:

(4.8) В длинноволновой части спектра поверхность ограждения отдает лучистое тепло в сторону небосвода, обменивается теплом с поверхностями грунта и окружающих зданий.

Эквивалентную температуру небосвода tнеб рассчитаем, зная эффективное излучение поверхности земли Е и температуру грунта tгр.

Полученная формула tнеб использует измеряемые метеорологические параметры Е и tгр и поэтому представляется более достоверной в отличие от известных, в которых, как правило, tнеб выражается косвенно через влажность воздуха.

Формулу для расчета наружной радиационной температуры получим из уравнения баланса лучистого тепла на наружной поверхности В формулах (4.9) и (4.10) дополнительно принято:

гр -коэффициент длинноволнового излучения поверхности грунта (различен зимой и летом);

– угол наклона поверхности к горизонту, град.

В силу изменения наружных параметров во времени, передача тепла наружными ограждениями носит нестационарный характер. При этом тепловой поток, проходящий через окна, не искажается по величине и во времени из-за (стены, перекрытия) передают тепловой поток трансформированным.

Наружные ограждения по разному передают тепловые потоки от коротковолновой солнечной радиации. В ограждениях происходит поглощение тепла солнечной радиации поверхностью. Нагретая поверхность (см. рис.4.4) возвращает частично тепло в наружную среду, а частично передает через толщу ограждения внутрь помещения.

лучепрозрачных ограждениях. Отличие этих ограждений состоит в том, что обычное оконное стекло тепловой поток от солнечной радиации. Величина проникающего теплового потока зависит от интенсивности солнечной радиации, конструкции окна и солнцезащитных устройств и в теплое время года может быть определяющей в сравнении с остальными факторами наружной среды.

Скорость ветра сказывается на конвективном теплообмене на наружной поверхности ограждения. Более весомым с точки зрения воздействия наружной среды является влияние скорости ветра на распределение давления снаружи здания.

При торможении потока воздуха (см.рис.4.5) на наветренном фасаде здания возникает избыточное по отношению к атмосферному давление.

На заветренной стороне здания в зоне вихреобразования давление оказывается ниже атмосферного. Величина давления на фасадах здания определяются скоростью и направлением ветра и конфигурацией здания. Таким образом в результате действия ветра возникает разность давления на противоположных фасадах здания. Помимо ветрового напора, перепад давления снаружи и внутри здания формируется гравитационным напором, обусловленным разностью объемного веса наружного и внутреннего воздуха. Совокупность двух факторов воздействия 6 – граница зоны аэродинамического следа; 7 – граница влияния здания на поток воздуха; 8 – вихреобразные потоки воздуха из зоны избыточного давления в зону разрежения наружной среды приводит к фильтрации наружного и внутреннего воздуха через открытые проемы и не плотности в ограждениях.

Разность парциального давления внутри и снаружи здания служит потенциалом переноса водяного пара. Диффузия водяного пара наиболее существенна в массивных ограждениях в холодное время года. Влажностный режим ограждений оказывает существенное влияние на их теплозащитные свойства и долговечность.

Нарушение нормальной влагопередачи приводит к накоплению влаги в толще ограждения и появлению на его внутренней поверхности плесени.

Наружный воздух, передаваемый в помещение системой вентиляции, оказывает непосредственное влияние на формирование параметров внутреннего микроклимата.

Так, влажность наружного воздуха в значительной мере определяет влажность внутреннего воздуха, если здание не оборудовано специальными системами увлажнения для холодного времени года и осушки воздуха в теплый период. Аналогично в теплый период года при отсутствии в здании системы охлаждения температура внутреннего воздуха прямо зависит от температуры наружного воздуха.

Воздействие отдельных метеорологических элементов на тепловой, влажностный и воздушный режим здания и работу его инженерных систем является комплексным.

При проектировании и в процессе эксплуатации здания возникает ряд задач, решение которых сопряжено с использованием различных по номенклатуре и объему климатологических данных.

Основу климатологической информации составляют регулярные непрерывные измерения метеоэлементов в сети метеостанций. На станциях измеряют температуру воздуха и поверхности грунта, эффективное излучение, скорость и направление ветра, относительную влажность воздуха и барометрическое давление, а также интенсивность прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность.

Ряд климатических параметров, таких как парциальное давление водяного пара, влагосодержание и энтальпия воздуха, интенсивность радиации на вертикальные и наклонные поверхности разной ориентации рассчитывают, используя имеющиеся значения измеряемых параметров.

Появление того или иного значения параметров обусловлено большим числом факторов и носит случайный характер. Поэтому для обобщения метеорологических элементов и получения тех или иных климатических параметров используются положения теории вероятностей и методы математической статистики.

При решении задач теплофизики здания и систем обеспечения микроклимата можно выделить два вида требуемой климатической информации: в расчетных и эксплуатационных условиях.

Под расчетными понимаются наиболее неблагоприятные погодные условия, при которых выбирается теплозащита здания и установочная мощность (производительность) систем обеспечения микроклимата. Расчетным условиям соответствует комплекс параметров наружного климата, за пределами которых система заведомо не обеспечивает поддержание расчетных параметров микроклимата.

Эксплуатационные условия характеризуются изменением параметров наружного климата во времени суток и года в интервале от расчетных летних до расчетных зимних и наоборот.

Для пересчета интенсивности измеряемой прямой радиации на нормальную к лучам поверхность пользуются формулами сферической геометрии. При этом интенсивность радиации на поверхность любой ориентации и положения определяется профильным углом. Профильный угол - это угол между лучом солнца и нормалью к поверхности (см. рис.4.6). Величина интенсивности на горизонтальную, наклонную и вертикальную поверхности определяется как функция профильного угла.

где SH - интенсивность прямой радиации нормальную к лучам поверхность, Вт/м2.

(4.12) для наклонных поверхностей где - азимут поверхности, град;

– часовой угол, град;

– графическая широта местности, град;

- склонение солнца, град;

– угол наклона поверхности к горизонту, град.

Используя в качестве измеренной интенсивность прямой радиации на горизонтальную поверхность, коэффициент пересчета прямой радиации на вертикальные поверхности равен Формулы (4.11) - (4.13), строго говоря, справедливы для безоблачного неба, однако без особой погрешности их можно использовать для средних условий обеспеченности. При этом надо иметь в виду, что при пересчете среднесуточных значений интенсивноcти следует учитывать нелинейность формул (4.11)-(4.13).

Среднеинтегральные значения коэффициента пересчета k в, cos г приведены в табл.4.1.

Рассеянная солнечная радиация при средних условиях облачности одинаково распределена на поверхности разной ориентации. При безоблачном небе интенсивность рассеянной радиации на вертикальной поверхности оказывается разной для ограждений, облучаемых солнцем и находящихся в тени.

Сумма рассеянной и отраженной радиации называется диффузной радиацией.