Курс лекций по "Промышленная вентиляция и кондиционирование"

 

Рис.2. Зависимость  производительности труда от изменения  температуры

окружающей среды. 

       Задача кондиционирования воздуха  состоит в поддержании таких  параметров воздушной среды, при которых каждый человек благодаря своей индивидуальной системе автоматической терморегуляции организма чувствовал бы себя комфортно, т.е. не замечал влияния этой среды.

       С гигиенической точки зрения  наиболее благоприятный уровень  температуры, поддерживаемой в производственном помещении, составляет 22 ⁰С, а допустимые колебания от 21 до 23 ⁰С. Более низкая температура воздуха, например 18 ⁰С, рекомендуемая в нормативных документах при проектировании отопительных систем, оценивается как “прохладно” и “холодно”.

       При этом следует отметить, что в микроклиматических условиях, которые принято считать «нормальными», обычно до 10% людей ощущают различную степень дискомфорта. Это объясняется разными социальными условиями жизни: привычным климатом, одеждой, питанием и пр.  

2. Тепловой баланс  человека и пути  выделения тепла  с организма 

       Известным исследователем параметров  комфорта и качества воздушной среды Оле Фангером предложена формула теплового баланса между человеческим телом и окружающей средой. В этой формуле принимается за основу теплообмен человека, находящегося в покое, в состоянии температурного баланса с внешней средой. При этом безразлично, какова точно его температура. В этих условиях вырабатываемое количество тепла равно теплу, отводимому во внешнюю среду, из чего следует:

                                                     М = W + Q_д +Q_к,                                                   (1) 

где М – количество тепла, вырабатываемого организмом, Вт/м²; W – объем производимой механической работы, Вт/м²; Q_д – общее количество тепла, выделяемого при дыхании, Вт/м², Q_к – общее количество тепла, отводимого через кожу, Вт/м².

       Количество отводимого от человеческого  тела тепла зависит от нескольких переменных параметров и, главным образом, от следующих:

–   разницы температур (положительной или отрицательной) между телом и окружающей воздушной средой;

• потерь (или получения) тепла от окружающих стен;
• кожных испарений (охлаждения при испарении);
• явных и скрытых потерь тепла при дыхании, соответственно за счет теплопроводности и испарения.

       Теплота, выделяемая организмом  человека, передается в окружающую  среду через кожный покров радиационным теплообменом, конвекцией, теплопрводностью (явная теплота) и испарением (скрытая теплота), а также путем выдыхания теплого воздуха.

      Радиационный теплообмен происходит между человеком и поверхностями ограждений, его величина и направление зависят от температуры этих поверхностей. Теплота, передаваемая конвекцией и теплопроводностью, зависит от температуры, влажности и скорости воздуха, вида и теплопроводности одежды.

       Испарение влаги с поверхности  тела человека (скрытый теплоотвод) осуществляется за счет разности парциальных давлений водяных паров в насыщенном слое у поверхности тела и в воздухе помещения (горной выработки). При этом расходуется теплота (энергия) организма, идущая на испарение влаги. Теплоотдача испарением бедет всегда тем больше, чем ниже значение относительной влажности при данной температуре воздуха в помещении (выработке). Уменьшение относительной влажности приводит к увеличению разности парциальных давлений пара у поверхности тела человека и в окружающуем воздухе и тем самым к увеличению испарения.

       Комфортные кондиции воздушной  среды могут иметь различные  значения и зависят главным образом от интенсивности труда, совершаемого человеком, и его одежды.

       В зависимости от состояния  организма (сон, отдых, умственная  работа, мускульная работа различной  интенсивности) и параметров окружающей  воздушной среды каждый человек в течение часа выделяет 330-1050 теплоты, 40-415 г влаги и 18-36 л углекислого газа.

       При постоянной температуре воздуха  и поверхностей ограждений с  ростом физической нагрузки на организм человека увеличиваются общие тепловыделения и доля теплоты, отводимой испарением влаги. При неизменной нагрузке и повышении температуры окружающей среды уменьшается доля явного теплоотвода, а теплоотвод испарением возрастает при практически неизменных общих тепловыделениях.

Пример  анализа теплового  комфорта

 

       В качестве примера рассмотрим, как в практике зарубежного проектирования систем кондиционирования воздуха дается анализ теплового комфорта.

       Для тог, чтобы определить количество  тепла, выделяемого организмом  человека при различных видах деятельности, вводится специальный показатель, получивший название “Меt” (от “метаболизм” - выделение тепла внутри организма. При спокойном (нейтральном) состоянии человека он равняется величине 58 Вт/м². В табл. 1 приведены показатели “Меt” при различных видах деятельности. 

Таблица 1. Типичные показатели производимого тепла, выделяемого внутри организма человека (метаболизм) при различных видах деятельности 

 

       Они обычно используются при  оценке количества тепла и  при оценке условий комфортного состояния. Например, для человека, работающего в спокойном режиме в офисе, этот показатель в среднем равняется 1 Меt.

       Одежда имеет теплоизоляционный  эффект в отношении передачи  тепла во внешнюю среду. Чтобы  иметь возможность это учитывать,  надо ввести специальный показатель, получивший название “Сlо” (сокращение от англ. сlothing – одежда). 1 Сlо равен 0,155 м2 К/Вт.

       В табл. 2 прведены показатели  значения Сlо и степени изоляции основных видов одежды. Летний костюм имеет показатель 0,5 Сlо, тогда как зимняя одежда может иметь от 0,8 до 1,0 Сlо и более – в зависимости от типа материала.

 

Таблица 2. Показатели термоизоляции различных  видов одежды 

 

       Показатели являются условными  и могут видоизменяться в зависимости  от типа материала и комплекта  носимой одежды.

       Для анализа соотношения вышеуказанных  параметров были разработаны  сложные математические формулы,  с помощью которых можно прогнозировать показатели температуры и влажности, в большей степени удовлетворяющие “условиям комфорта”.

       Диаграмма, представленная на  рис.3., позволяет прогнозировать  условия комфорта, которые могут  удовлетворить большинство людей  с процентом недовольных ниже 10%.

 

Рис.3. Диаграмма  для определения температуры  комфортного состояния

в зависимости  от одежды и интенсивности труда, производимого людьми 

       На диаграмме учитывается вид  выполняемой деятельности (верхние  шкалы) и изоляционные свойства одежды (горизонтальные шкалы). В поле диаграммы изображены несколько кривых “оптимальной температуры”, которая соответствует средним показателям температуры между температурой внешней среды и средней температурой стен при условии малой скорости движения воздуха.

       В зависимости от производимой  деятельности и от характера  одежды определяется соответствующая оптимальная температура и вычисляются допустимые пределы колебания температуры (в большую или меньшую сторону) относительно установленного показателя. Например, если люди производят работу со степенью интенсивности 1,4 Меt в зимнее время, имея одежду типа 1 Сlо, то оптимальная температура должна составлять 21⁰С с допустимыми пределами колебания плюс-минус 2 ⁰С.  

3. Параметры воздушной  среды, влияющие на комфортное состояние

человека 

1. Влажность.

       Если человек занимается физическим трудом, то он выделяет пот. Тот, кто не выделяет видимого пота, также выделяет влагу (водяной пар), причем среднее количество этой влаги составляет около 900 грамм в сутки. Около трети этого количества выдыхается через легкие, остальная часть выделяется кожей. С другой стороны, человеческий организм требует, чтобы выделяемая влага возмкщалась не только впитыванием ее из жидкостей и пищи, поступающих в желудок, но и при дыхании через легкие.

       Поэтому очень важно, чтобы  состояние воздуха в помещении  допускало дальнейшее насыщение  воздуха водяными парами, выделяемыми  находящимися в помещении людьми, которые только при этом условии могут чувствовать себя хорошо. Окружающий нас воздух будет поглощать водяной пар до тех пор, пока не будет достигнуто такое насыщение, после которого любое дополнительное количество водяного пара начнет выпадать в виде конденсата: воздух с очень высоким содержанием водяного пара не может поглотить излишнее количество водяного пара  выделяемого человеком. Это вызывает обильное потение и утомление, так как дыхание становится все более тяжелым, и организм, пытаясь компенсировать потерю влаги, выделяемой при чрезмерном потении, поглощает все больше и больше жидкости. Такое состояние воздуха преобладает в жаркие летние месяцы.

       Влияние влажности воздуха на  теплообмен человека зависит  от основных параметров микроклимата: температуры воздуха и теплового излучения.

       Высокая влажность в сочетании с высокой температурой ухудшает теплообмен человека с окружающей средой, что приводит к перегреву организма. 

2. Скорость движения  воздуха (подвижность).

       Температура и относительная  влажность не определяют полностью  теплофизическое состояние среды. Немаловажное значение играет подвижность воздуха.