20

Лекция 3 Тепловой режим внутренней среды зданий. Нормирование

1. Теплообмен человека с окружающей средой

Системой обогрева – охлаждения в помещении должна быть создана благоприятная для человека тепловая обстановка. Человек способен поддерживать некоторое время жизнеспособность внутренних органов в диапазоне температур от 27 до 43 ^оС. Нормально организм человека функционирует при температуре тела около 36,6 ^оС. Для поддержания этой температуры непрерывно выделяется тепло, которое отдается окружающей среде. Количество отдаваемого тепла зависит от физиологического и эмоционального состояния человека, его одежды, возраста, вида выполняемой работы и индивидуальных особенностей человека.

Общий тепловой (энергетический) баланс человека (Вт) характеризуется [1] следующим уравнением:

, (3.1)

где - теплопродукция человека, (например, студент в аудитории выделяет в час 115 Вт, лектор примерно 200 – 310 Вт);

,,- составляющие теплообмена конвекцией, излучением и за счет испарения. Считается, что конвекцией происходит 32-35 %, излучением 42-44 %, остальная часть теплоотдачи производится испарением. Причем до 28^оС происходит скрытое, а до 34 ^оС – явное потоотделение. При температуре большей 34 ^оС теплоотдача осуществляется только испарением.

,- расходы тепла на работу (механическую) и физиологические процессы организма;

- избыток или недостаток тепла в организме.

Человек чувствует себя комфортно, если величина примерно равна 0.

Теплопродукция характеризуется обменом веществ, который определяется потреблением кислорода. В спокойном состоянии человек потребляет около 15 л/ч или 0,42·10^-5 м³/с, при этом выделяя 88 Вт тепла. При легком труде за 1 час выделяется до 175, среднем – 175 – 300, а тяжелом труде - 300 – 700 Вт.

Комфортными считаются условия, если за них высказалось 80 % опрашиваемых людей. За рубежом очень много уделяется внимания оценке комфортности среды с использованием различного рода шкал, например, ASHRAE [2]. Все расчеты ведутся привязываясь к площади поверхности кожи человека (F_DU), т.н. поверхности Дю-Буа. Площадь вычисляется по формуле

, (3.2)

где G – вес, кг; l – рост человека, м.

Параметры микроклимата помещений должны быть в определенных сочетаниях между собой и не отклоняться от заданных пределов, т.е. находиться в некоторой зоне комфортности тепловой обстановки. Таких зон несколько, они определяются временем года, назначением помещения и видом выполняемой работы, возрастом человека и климатом района строительства.

Деятельность человека обычно происходит в определенной части объема помещения. Эту часть называют обслуживаемой или рабочей зоной. Системы отопления и кондиционирования совместно с теплозащитой ограждений должны обеспечить расчетные условия в обслуживаемой зоне помещения.

2. Температурный режим

Существуют нормы, регламентирующие расчетные температуры помещений. Для жилых зданий индивидуальных застройщиков разработаны ДБН 79-92 [ ], где установлены следующие температурные параметры:

- расчетная температура внутреннего воздуха (t_в) от 17 до 28 ^о С;

• градиент температуры по вертикали и горизонтали (Δt_в) ≤ 3 ^о С;

• перепад температур между внутренним воздухом и стеной ≤ 6 ^о С;

• температура остекления ≥10 ^о С;

• температура поверхности пола 18 ÷ 28 ^о С.

В жилых помещениях[ температура воздуха условно считается измеренной на 1,5 м от уровня пола по центральной вертикали помещения. Для уточнения теплового режима в помещении температуры измеряются на высотах:

• 10 см от пола – для установления возможного дутья от дверей;

• 25 см – место излома температурной кривой;

• 75 см - верхняя граница нахождения детей;

• 150 см – верхняя граница нахождения взрослых;

• 25 см от потолка – максимальная температура помещения;

• температура на поверхности потолка.

Температуры внутреннего воздуха подразделяются также на категории:

• пониженная (8 ÷ 12 ^о С) – в слабо отапливаемых помещениях по условиям производственного обслуживания;

• нормальная: (12 ÷ 15 ^о С) – при затратах физических усилий; (18 ÷ 20 ^о С) – при малоподвижном состоянии человека;

• повышенная: (21 ÷ 23 ^о С) – человек в легкой одежде выполняет точную работу без физических усилий.

Однако более детальные исследования указывают на широкую вариацию параметров, которые считаются комфортными. Так рекомендуется связывать параметры микроклимата различно для сезонов и климатических зон. Это иллюстрирует таблица 7.1.

Табл. 7.1. Комфортные условия в помещениях

Параметры	Сезон	Климатическая зона
		II	III	IV
Температура, °С Влажность, % Подвижность воздуха, м/с Температура внутренних ограждающих конструкций, °С	Зима Лето Зима Лето Зима Лето Зима Лето	18 - 20 23 - 24 30 - 45 35 - 50 0,08 - 0,1 0,08 - 0,1 18 26 - 27	18 - 19 25 - 26 30 - 50 30 - 60 0,08 – 0 ,1 0,1 – 0,15 18 28	17 -19 25 - 26 35 - 50 30 - 60 0,08 - 0,1 0,1 -0,15 18 28

Более детальная регламентация микроклиматических параметров производится для разных по возрасту групп людей и назначением жилого помещения. Это демонстрирует таблица 7.2.

Таблица. 7.2 - Классификация комфорта для разных возрастных групп населения

Группы по возрасту	Помещения	Температура воздуха, °С	Влажность воздуха, %	Скорость движения воздуха, м/с	Температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций
12-13 лет 20-30 лет 55-60 лет	Жилые Спальни Жилые Спальни Жилые Спальни	20-22 16-17 18-20 14-15 20-22 16-17	45-50 38-50 45-50 38-50 45-50 38-50	0,1-0,15 0,08-0,1 0,1-0,15 0,08-0,1 0,1-0,15 0,08-0,1	18 15 18 14 18 15

Еще в начале прошлого века (исследования В. М. Чаплина) оптимальною считалась температура воздуха 20°С. Зарубежные нормы являются близкими или несколько превышают наши нормативы. Так температура воздуха для зимы составляет: Польша – 18 - 20°С (ночью на 1 - 1,5 °С ниже), Чехия - 18°С, Венгрия - 20°С (общая комната), Швеция -18-22°С (минимум: 18° днем, 16° ночью), Норвегия - 20°С, Англия - 21-22°С, Нидерланды -20-22°С, Франция - 18-20°С, Германия - 18-20°С, США - 22°С (общая комната), Швейцария - 18-20°С (ночью 16°С).

При организации внутренней среды необходимо уделять внимание проектированию окон. Через окна осуществляются наибольшие теплопотери - в 2-6 рази больше чем через стены. Нормативная температура внутренней поверхности окон, которая была раньше равной 5°С, оказалась недостаточной. Необходимо поднять ее значение до 6 - 8°С (10-14 - оптимум). Новые нормативы (о них будет сказано дальше) сопротивления теплопередаче позволит улучшить микроклимат помещений.

На теплоощущение человека влияет так называемая радиационная температура поскольку до 40 (60 % - [1]) теплопотерь человека происходят излучением. Радиационная температура (t_R) может быть определена через коэффициенты облученности с человека на отдельные поверхности (φ_ч-i) со средними температурами (τ_вi) по формуле

. (3.3)

Есть иной способ определения радиационной температуры через площади всех поверхностей (F_i), она рассчитывается по формуле

. (3.4)

Температурная обстановка в помещении может быть определена двумя условиями температурного комфорта: первое условие температурного комфорта в помещении в целом; второе условие температурного комфорта на границе обслуживающей зоны в непосредственной близости от нагретых или охлажденных поверхностей.

3. Первое условие комфортности

Комфортной будет такая общая обстановка в помещении, при которой человек, находящийся в середине помещения, будет отдавать все явное тепло, не испытывая перегрева или переохлаждения. Комфорт обеспечивается при различных сочетаниях t_в и t_R. Для жилых и общественных зданий, вводя нормированные значения температуры помещения (t_п) в холодный период (t_п = 21 ^о С при легкой работе, 18,5 ^о С при умеренной и 16 ^оС - при тяжелой) с учетом допустимых отклонений (± 1,5 ^о С), рассчитывают радиационную температуру как

. (3.5)

Для летнего периода значения t_п принимаются равными 26 ^оС при легкой работе, 24 ^оС при умеренной и 22 ^оС при тяжелой. Тогда радиационная температура для этого периода определяется следующим образом

. (3.6)

Формулы 3.5 и 3.6 получены аналитически и полностью согласуются с данными гигиенических исследований проводимых в специальных камерах. При этом принято значение явной теплоотдачи человека равное 87 Вт для холодного и 64 Вт для теплого периодов.

Однако для летнего периода желательно температурную обстановку в помещении определять с дополнительным учетом подвижности воздуха v_в. Температура помещения устанавливается из условия, что сумма теплообмена человека конвекцией, излучением и за счет затрат на испарение при температуре t_п и при температурах t_в, t_R и v_в одинакова. Температура помещения находится как

. (3.7)

Таблица 3.1 - Значения К_v при нормальной влажности воздуха приведены ниже

vв	0	0,1	0,2	0,3	0,6	0,9	1,2	1,5	1,8	2,1
Kv	0,5	0,59	0,67	0,73	0,78	0,82	0,84	0,86	0,87	0,88

4. Второе условие комфортности

Ограничивает интенсивность теплообмена при положении человека около нагретых и охлажденных поверхностей. Определяющим является интенсивность лучистого теплообмена. Поверхность головы наиболее чувствительна к радиационному нагреву. Необходимо, чтобы любая элементарная площадка поверхности головы отдавала не менее 11,6 Вт/м² излучением.

Наиболее невыгодным будет положение человека по центру помещения под нагретым потолком либо на расстоянии 1 м от поверхности. Из указанных соображений максимально допустимая температура нагретой поверхности должна быть не более значения, определяемого формулой

. (3.8)

Допустимая теплоотдача излучением в сторону холодной поверхности может быть принята равной 70 Вт/м², тогда температура на поверхности должна быть не менее

ё (3.9)

Ориентировочно значение коэффициента облученности φ_ч-п равно

, (3.10)

где - характерный размер панели;

х – расстояние от человека до панели.

4. Температура поверхности пола

Формулы 3.8 и 3.9 неприменимы для определения температуры поверхности пола.

Ноги человека чувствительны к переохлаждению и перегреву пола и холодным токам воздуха вдоль пола. Эти ощущения зависят от общей тепловой обстановки помещения, вида обуви и подвижности людей. В отапливаемых помещениях условная продолжительность контакта босой ноги с полом не более 2 мин. При этом температура поверхности ноги может понизиться с 33 до 27 ^о С.

Теплотехнические свойства тел при контакте (нога – пол) определяются коэффициентом тепловой активности

, Вт∙с^0,5/(м²∙^оС), (3.11)

где λ – коэффициент теплопроводности материала, Вт/м ^оС;

с – удельная теплоемкость материала, Дж/кг∙град;

ρ – плотность материала, кг/м³.

В жилых и подобных им помещениях материал покрытия пола толщиной 3-4 мм должен иметь коэффициент тепловой активности конструкции не более 697,8. В общественных зданиях и на постоянных рабочих местах промышленных зданий при контакте с полом обутой ноги коэффициент b должен быть не более 837,4. В помещениях первых этажей с неотапливаемыми подвалами нормируемое значение рекомендуется увеличивать на 10 %.

Допустимая температура пола, зависящая от температуры воздуха на высоте 1 м (t_в1) находится как

. (3.12)

Применение формулы (3.11) ограничено предельными значениями . Эти ограничения учитывают тип обуви. Предельные значениядля голой стопы равны 32-33, для обуви с тонкой подошвой – 36-38 и для обуви с толстой подошвой – 45-48^о С. Для проходов и переходов, которые не являются местом постоянного пребывания людей, целесообразно повышать температуру пола и снижать на 2-3 ^о С температуру воздуха.

4. Влажность воздуха

Влажность воздуха характеризуется выраженной в процентах величиной относительной влажности, φ, %, определяемой отношением действительной (е) к максимальной (Е) упругостей водяного пара, т.е.

. (3.13)

Относительная влажность до 50 % считается низкой, от 50 до 60 % нормальной, от 61 до 75 % повышенной и более 75 % - высокой (в помещениях с мокрым процессом). В зимнее время, если в помещении нет источников выделения влаги, относительная влажность зависит только от температуры наружного воздуха, поскольку есть потребность обеспечения необходимой кратности воздухообмена. Натурные наблюдения показывают, что в этот период относительная влажность в помещении бывает ниже 30 % и необходимо искусственное увлажнение воздуха.

Величина максимальной упругости водяного пара (Па) при положительной температуре (от 0 до 20 ^о С) находится по формуле

. (3.14)

Для отрицательных температур (надо льдом, от 0 до -20 ^о С) зависимость имеет вид

. (3.15)

Движение воздуха

Как уже отмечалось, для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека в помещениях необходимо обеспечивать нормативную кратность воздухообмена. При этом будет происходить некоторая подвижность воздуха. В жилых помещениях (по ДБН 79-92 [3]) регламентируется скорость движения воздуха, которая для зимы принимается не более 0,15 м/с, а для лета – не более 0,3 м/с. Замечено, что объемно-планировочное решение помещения мало влияет на температуру воздуха, но в большей степени на его подвижность. Сквозное и угловое проветривание обеспечивают активный воздухообмен в помещении. Если окна помещения выходят на одну плоскость фасада, то проветривание ограничено.

4. Гигиенические характеристики воздушной среды

Такие характеристики (состав и количество пыли, аэрозоли, вредные вещества и т. п.) оговариваются специальными нормами и их предельно допустимые концентрации напрямую связаны с условиями обеспечения комфортных условий пребывания человека в помещении.Необходимо поддерживать чистоту воздушной среды, которая в 3 - 4 раза грязнее внешней. Концентрация СО₂ около 0,1 % считается гигиеническим оптимумом. Его можно достичь вентиляцией в час не менее 30 м³ на одного человека.