Обеспечение комфортности в помещении

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 7Следующая ⇒

В помещении должна быть создана такая тепловая обстановка, в которой человек чувствовал бы себя комфортно. Обстановка обеспечивается системой обогрева и охлаждения помещения. Кроме того, комфортное состояние человека зависит от физиологической системы терморегуляции его организма. Организм человека постоянно вырабатывает энергию, которая отдается окружающей среде. Основными составляющими теплообмена организма человека со средой являются конвекция, излучение, за счет затрат тепла на испарение, а также расход тепла (энергии) на механическую работу. С помощью системы терморегуляции организм человека обеспечивает баланс продуцируемого и теряемого телом тепла. Система терморегуляции нормально функционирует при температуре около 36, 6 ^оC. При нарушении баланса тепла в организме в нем будет происходить накопление тепла или его дефицит. Это приводит к повышению температуры тела или к его переохлаждению. Допустимые изменения температуры тела находятся в пределах от 0, 4 до 1, 11 ^оC. При изменении температуры тела человека выше данного диапазона он будет испытывать дискомфортность.

В таблице 2.1 представлены данные по теплопродукции организма взрослого человека (энергетический баланс человека в Вт и ккал/ч) в зависимости от степени тяжести выполняемой работы. Как видно из таблицы теплоотдача у человека возрастает с увеличением тяжести работы.

На процесс терморегуляции человека влияет тепловая обстановка в помещении. Она определяется температурой, подвижностью и относительной влажностью воздуха в помещении, температурами ограждений помещения и их размерами, а также температурами оборудования, находящегося в помещении.

Существенное влияние на терморегуляцию человека оказывает одежда. Одежда определяет лучистую и конвекционную составляющие теплообмена. Количество переданного тепла через одежду будет пропорционально отношению сопротивлений теплопередаче через одежду. Например, для легкой одежды сопротивление теплопередаче от поверхности кожи через одежду приблизительно 0, 15, для обычной одежды – 0, 33, а для утепленной – 1, 5.

Одежда влияет на затраты тепла, идущего на испарение влаги с поверхности тела человека. При определенных температурных условиях в помещении у человека может наступить дискомфортное состояние. Предложено в качестве показателя оценки степени дискомфортности состояния использовать величину потери массы человека, возникающей за счет испарения. В таблице 2.2 представлены значения потери массы, соответствующие состоянию комфорта при различных физических нагрузках.

Таблица 2.1 – Теплопродукция организма взрослого человека

Определение вида работы	Теплопродукция
ккал/час	Вт
Физическая деятельность: работа машинистки работа литейщика, металлурга работа землекопа, кузнеца и подобная спортивная езда на велосипеде спортивное плавание подъем в гору максимальная мышечная работа Умственная деятельность: чтение сидя работа в лаборатории чтение лекций в аудитории Условное деление тяжести работы: незначительная легкая средняя тяжелая	120-170 150-250 250-420 До 790 > 870 670-770 120-140 170-270 До 120 120-150 150-250 Более 250	140-200 170-300 300-500 До 920 > 1000 780-900 200-310 До140 140-170 170-290 Более 290

Таблица 2.2 – Значения потери массы человека за счет испарения влаги

Физическая нагрузка	Потери массы человека, г/ч
Незначительная Легкая Средняя Тяжелая	48 – 72 90 – 140 150 – 190 210 - 240

Для оценки дискомфортности тепловой обстановки в помещении используется тепловой показатель S, который показывает степень теплового напряжения организма человека. Для его определения используется формула

где – затраты тепла на испарение;

1/f – коэффициент охлаждающей эффективности потоотделения.

С увеличением физической нагрузки тепловыделение у человека возрастает и его организм начинает испытывать тепловое напряжение, т.е. в помещении условия становятся дискомфортные. В таблице 2.3 представлены значения S, которые соответствуют различным дискомфортным условиям.

Таблица 2.3 – Значения S при различных состояниях человека

Состояние человека	Значения
Вт	ккал/ч
Легкое тепловое напряжение	0-175	0-150
Среднее	175-350	150-300
Тяжелое	350-460	300-400
Очень тяжелое напряжение	Выше 460	Выше 400
Предельное тепловое напряжение, переносимое лишь крепкими акклиматизированными людьми

На состояние комфортности человека очень сильно влияют условия, в которых находятся отдельные части тела, и, в первую очередь, это относится к голове и ногам. Голова, как и любая часть тела, излучает тепло. При этом радиационный баланс на ее поверхности должен быть отрицательным, т.е. она должна больше отдавать тепло, чем воспринимать его. Установлено, что тепловая обстановка в помещении должна быть такой, чтобы радиационный баланс элементарной площадки на поверхности головы находился в пределах от 11, 6 Вт/м² при нагреве и до 70–93 Вт/м² при охлаждении. В этом случае свое состояние человек воспринимает как комфортное [1].

На восприятие комфортности нахождения в помещении человека влияет созданная тепловая обстановка в области пола, так как ноги человека чувствительны к переохлаждению и перегреву пола.

Чтобы избежать переохлаждения ноги, поглощаемое полом тепло должно соответствовать притоку тепла к ноге при работе системы терморегуляции организма. Поэтому в зимних условиях температура пола должна быть не ниже температуры воздуха помещения на 2–2, 5 ^оC. Летом охлаждать пол не рекомендуется.

На тепловое ощущение человека и потерю тепла ногами влияют теплофизические свойства материала покрытия пола, время контакта ноги с полом. Например, в отапливаемых жилых помещениях с повышенными эксплуатационными требованиями расчетными принимаются условия продолжительности контакта босой ноги с полом не более 2 мин. За этот промежуток времени температура поверхности ноги может понизиться от начальной, равной около 33 ^оC, до минимально допустимой равной 27 ^оC. Поэтому предельные значения температуры пола для голой стопы равны 32-33 ^оC. С понижением температуры воздуха в помещении температура поверхности пола должна повышаться.

Таким образом, тепловая обстановка в помещении должна быть такой, чтобы человеку, выполняющему в нем определенную работу, было комфортно.

Под комфортными условиями понимают такую температурную обстановку, при которой человек не будет испытывать перегрева или переохлаждения. Установлено, что в результате эксплуатации помещений температура в нем в холодный период года при легкой работе должна составлять порядка 21 ^оC, при умеренной порядка 18, 5 ^оC, а при тяжелой уже 16 ^оC. В отличие от холодного периода, когда тепловая обстановка в помещении определяется температурой воздуха и радиационной температурой (определяет лучистый теплообмен), в летний период при определении комфортных условий также необходимо учитывать подвижность воздуха при проветривании. Получено, что при определенной температуре воздуха подвижность воздуха должна быть тем больше, чем выше допустимая радиационная температура.

Основные процессы

Рассмотрим закономерности теплообмена в помещении, используя данные, приведенные в [1].

На температурный режим в помещении главную роль играет конвекция. Ее возникновение связано, как указывалось выше, с источниками тепла. Нагретый от них воздух поднимается вверх, в результате чего образуются конвективные токи теплого воздуха, а охлажденный воздух опускается вниз. В связи с этим в помещении возникает неравномерность температуры по высоте, т.е. формируются определенные температурные поля. Наличие их приводит к возникновению разности плотностей воздуха около источников тепла и в целом в объеме помещения. В результате возникает архимедова сила, которая приводит к движению воздуха.

В силу различных аэродинамических явлений в помещении могут быть разные формы конвективного теплообмена. Во многих случаях обмен теплом воздуха с поверхностями с относительно небольшими размерами (по отношению к объему помещения) происходит в режиме свободной конвекции, которая возникает из-за разности плотностей газа. В ограниченном объеме помещения наблюдается естественный конвективный теплообмен, который также обусловлен только естественными силами. В условиях принудительного движения воздуха теплообмен определяется закономерностями вынужденной конвекцией. При подаче неизотермических струй воздуха теплообмен в помещении определяется также массообменном: происходит так называемый струйный теплообмен в результате турбулентного перемешивания различно нагретых масс воздуха.

Особенности естественной конвекции, протекающей около поверхности в помещении, состоят в следующем. Около поверхности, вдоль которой движется нагретый воздух, возникает пограничный слой. В пределах слоя температура и скорость струй воздуха не остается постоянной. Так как существуют силы вязкого трения, скорость струи на поверхности тела равна нулю, на внешней границе струи она составляет υ _о. Толщина пограничного слоя не остается постоянной. В работе [1] приведены данные по конвективному теплообмену около вертикальной нагретой поверхности, расположенной на всю высоту помещения (рисунок 2.1). Над полом находится область ламинарного режима теплообмена (зона 1). В данной области процессы теплообмена протекают интенсивно. В зоне 2 наблюдается турбулентный режим теплообмена. В верхней части под потолком находится область торможения (зона 3). В пределах пограничного слоя температура воздуха изменяется от значения температуры стенки t_c до температуры t потока воздуха вдали от нее.

Рисунок 2.1 – Схема расположения областей при конвективном теплообмене около поверхностей

По мере движения потока воздуха вдоль поверхности толщина пограничного слоя постепенно возрастает, так как тормозящее действие поверхности распространяется на все большее пространство. В результате на некотором расстоянии от пола в пограничном слое начинают возникать вихри и движение воздуха принимает турбулентный характер. Благодаря возникновению вихрей происходит интенсивное перемешивание воздуха в пограничном слое. Однако непосредственно у поверхности сохраняется очень тонкий вязкий слой толщиной δ , в котором сохраняется ламинарный характер движения воздуха (рисунок 2.2). Ниже него находится пограничный слой δ _п.

Процессы конвективного теплообмена характеризуются критериями Грасгофа (Gr), Прандля (Pr), _, Нуссельта (Nu).

Число Gr характеризует эффективность подъемной силы, вызывающей свободное конвективное движение теплоносителя, и определяется параметрами воздуха, размерами помещения и поверхностями, ускорением свободного падения.

Теплофизической характеристикой воздуха является число Pr. В помещении, когда температура изменяется в узком диапазоне, число Pr остается практически постоянным (для воздуха при 20 ^оС оно равно 0, 709).

Число Нуссельта характеризует интенсивность процесса и зависит от коэффициента теплопроводности воздуха и размеров поверхностей.

При естественной конвекции, т.е. в ограниченном помещении, процессы теплообмена между нагретой поверхностью и воздухом протекают более интенсивно, чем при свободной конвекции.

Рисунок 2.2 – Схема движения воздуха при переходе

от ламинарного к турбулентному режиму

Во-первых, под влиянием пола разрушение стабильного ламинарного движения происходит раньше, чем у свободной поверхности. Верхняя граница ламинарной области соответствует критическому значению (GrPr)_кр=1, 7· 10⁸.

Во-вторых, в области ламинарного режима движения воздуха теплообмен проходит более интенсивно. Среднеинтегральное значение критерия Nu=68, 5 в ламинарной зоне.

В-третьих, в турбулентной зоне локальный коэффициент конвективного теплообмена увеличивается по направлению движения воздуха.

Рассмотрим основные соотношения для расчета характеристик конвективного теплообмена для областей, существующих около поверхности при свободной конвекции.

Толщина пограничного слой δ _п возрастает по мере движения воздуха в ламинарном потоке вверх. При температуре 20 ^оС текущее значение толщины пограничного слоя на расстоянии у от поверхности пола определяется формулой

Значение δ _п минимально у пола, где интенсивность теплообмена наибольшая. При этом локальное значение коэффициента конвективного теплообмена в любом сечение над уровнем пола имеет вид

, Вт/(м²· К)

Переход от ламинарного к турбулентному режиму течения происходит на некотором расстоянии l_кр от стены. Для воздуха при температуре 20 ^оС этот переход происходит при критическом значении критерия Грасгофа около 10⁹ и на расстоянии l_кр=1, 89Δ t^-1/3.

Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена α _к в пределах всей области ламинарного режима теплообмена от 0 до l_кр равно 0, 059Δ t^1/3. Число Нуссельта, которое соответствует данному значению коэффициента, равно 87.

В турбулентной области среднее значение коэффициента конвективного теплообмена определяется формулой

Высота от потолка зоны торможения определяется по формуле

Показатели теплового режима

Сезонные и суточные изменения погоды, а, значит, и интенсивности солнечной радиации и направления ветра, приводят к тому, что теплопередача через ограждения является нестационарным процессом. В связи с этим изменяется температурный режим здания, температура воздуха в помещениях, предметов в них, внутренних поверхностей ограждения. Изменение температуры воздуха в помещении зависит от того, как ограждения здания передают колебания наружной температуры вовнутрь. Это свойство ограждений характеризуется понятием теплоустойчивости.

Теплоустойчивость здания – это его способность сохранять относительное постоянство температуры в помещениях при колебании температуры наружного воздуха. В случае ограждения под теплоустойчивостью понимается свойство сохранять постоянство температуры при колебаниях теплового потока.

При анализе теплоустойчивости принимается, что колебания как наружного, так и внутреннего воздуха представляют собой гармонические колебания. Теплоусвоение любого материала зависит от его теплофизических характеристик: коэффициента теплопроводности λ , объемной теплоемкости сρ и периода Т колебаний температуры. Для характеристики теплоустойчивости ограждений введен так называемый коэффициент теплоусвоения s материала

(2.1)

При Т=24 часа равенство (2.1) примет вид

При прохождении ограждения амплитуда колебаний теплового потока, следуя за колебаниями температуры, постепенно затухает. Это учитывается в теории нестационарной теплопередачи коэффициентом затухания ν (х), который показывает, во сколько раз затухают температурные колебания, пройдя слой материала от сечения х до х=0,

где z – время протекания процесса.

На рисунке 2.3 представлен процесс теплопередачи через многослойное ограждение, когда температура внутреннего воздуха остается постоянной. Видно, что колебания температуры t_н наружного воздуха приводят к изменению тепловых потоков и температуры на поверхности и в толще ограждения. Период колебаний Т процесса теплопередачи не изменяется. Для любого момента времени колебания температуры t_н можно определить по формуле

где t_но– среднее значение температуры наружного воздуха;

A_t_н – максимальное отклонение температуры от ее среднего значения (амплитуда):

z – время.

Тепловую инерцию ограждения определяют через уравнение

D=R₁s₁+R₂s₂+…+R_Ns_N,

где R₁, R₂, …R_N – термические сопротивления отдельных слоев ограждения;

s₁, s₂, …s_N – расчетные коэффициенты теплоусвоения отдельных слоев ограждения (материалов).

Теплопоглощающая способность ограждения помещения характеризуется дополнительно еще двумя коэффициентами. В связи с колебанием солнечной радиации в течение дня изменяется температура воздуха. Колебания приводят к изменению температуры поверхностей ограждений и, соответственно, проходящих через них потоков. Соотношение между колебаниями теплового потока и температуры на поверхности ограждения определяется ее коэффициентом теплоусвоения Y ограждения (конструкции).

Второй характеристикой, связывающей изменение потока тепла и температуры воздуха, является коэффициент теплопоглощения ограждения B. Коэффициент теплопоглощения равен отношению амплитуды колебания теплового потока, проходящего через ограждение, к вызвавшей этот поток амплитуде колебания температуре окружающей поверхность среды.

В таблице 2.4 приведены коэффициенты теплоусвоения некоторых материалов. Если толщина однородного слоя велика и практически не сказывается влияние условий на поверхностях, то коэффициент Y зависит только от свойств материала слоя, т.е. коэффициент теплоусвоения Y ограждения равен коэффициенту теплоусвоения s материала.

τ _в – температура воздуха внутри помещения; А_{τ в} – амплитуда колебания температуры на внутренней поверхности; A_t_н – амплитуда колебания наружного воздуха; τ _во – среднее значение температуры внутреннего воздуха; t_н – температура наружного воздуха;

t_но – среднее значение температуры наружного воздуха; Т – период колебания температуры

Рисунок 2.3 – Затухание температурных колебаний в многослойном ограждении

Таблица 2.4 – Коэффициенты теплоусвоения

	Материалы
Сталь	Гранит	Минеральная вата	Пенопласт
s, Вт/(м²∙ ^оС)	125, 7	24, 9	0, 64	0, 26

С изменением температуры на поверхности ограждения связаны ее колебания внутри ограждения. Амплитуда колебаний температуры в толще ограждения отстает во времени от колебаний на поверхности и затухает по мере удаления от нее. Каждому моменту времени соответствует своя волнообразная кривая распределения температуры в слоях ограждения, смещенная по отношению к предыдущей кривой. При этом в ограждении есть слой резких колебаний температур d_t, где происходит изменение температуры примерно в 2 раза. Например, слои резких колебаний для кирпича: для периода 24 часа – 0, 084 м; для периода 12 часов – 0, 06 м.

Расстояние между двумя максимумами или минимумами волны называется длиной волны. Количество температурных волнl, размещающихся в толще ограждения, пропорционально показателю тепловой инерции D (свойство ограждения сохранять или медленно изменять распределение температуры внутри конструкции называется тепловой инерцией), который служит критерием оценки степени затухания температурных колебаний и называется условной толщиной ограждения (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – К определению показателя тепловой инерции

Чем больше инерция, тем труднее изменить первоначальное состояние ограждения. Например, кирпичные массивные стены долго сохраняют свою «летнюю» температуру и не чувствительны к резким и кратковременным перепадам температур наружного воздуха в осенний период. Чтобы получить нормальные условия после отключения системы отопления в весенний период, промерзшие кирпичные стены надо очень долго прогревать. Поэтому летом в кирпичных домах бывает прохладно.

Наружные стены с тепловой инерцией менее четырех в районах со среднемесячной температурой июля 21 ^оС и выше в летний период года подвергаются не только колебаниям температуры наружного воздуха в течение суток, но и активно нагреваются солнечными лучами в дневное время. Поэтому требуется расчет теплоустойчивости ограждающих конструкций.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 Следующая ⇒