/
Автор: Кувшинов Ю.Я. Самарин О.Д.
Теги: отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха в зданиях теплоэнергетика теплотехника вентиляция строительство зданий инженерные системы зданий кондиционирование воздуха учебник для вузов
ISBN: 978-5-93093-883-8
Год: 2012
Текст
Ю.Я. Кувшинов, О.Д. Самарин
ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
МИКРОКЛИМАТА ЗДАНИЙ
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов РФ
по образованию в области строительства в качестве учебника для студентов,
обучающихся по программе бакалавриата по направлению 270800
«Строительство» (профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция»)
Издательство Ассоциации строительных вузов
Москва
2012
УДК 697.1
ББК 31.3
С 17
Рецензенты:
д.т.н., профессор, зав. кафедрой ОиВ ННГАСУ В.И Бодров',
д.т.н., профессор, член-корр. РААСН, зав. лабораторией строительной теп-
лофизики НИИСФ РААСН В.Г. Гагарин.
Кувшинов Ю.Я., Самарин О.Д.
Основы обеспечения микроклимата зданий: Учеб, для вузов. - М.: Из-
дательство Ассоциации строительных вузов, 2012. - 200 с.
ISBN 978-5-93093-883-8
В книге рассмотрены основные понятия, касающиеся формирования
внутреннего микроклимата помещений и принципов его обеспечения с по-
мощью инженерных систем. Приведены способы оценки комфортности мик-
роклимата и правила выбора его допустимых и оптимальных параметров.
Изложены принципы определения тепловой мощности систем отопления-
охлаждения, а также структура теплового баланса помещения и методы рас-
чета его составляющих для определения производительности систем венти-
ляции и кондиционирования воздуха. Представлены основные процессы воз-
действия наружной среды на микроклимат зданий и показаны правила выбо-
ра расчетных параметров наружного климата. Рассмотрены процессы изме-
нения состояния влажного воздуха в помещении и его обработки в системах
обеспечения микроклимата, а также потоки воздуха в помещении у приточ-
ных и вытяжных отверстий и неизотермических поверхностей. Приведены
методы оценки годового потребления энергии системами отопления-
охлаждения и вентиляции и примеры расчета теплопотерь, теплопоступле-
ний и воздухообмена в помещении.
Разделы 1.1,1.4,2.1,2.6,3.1 написаны Ю.Я. Кувшиновым, 1.2,1.3,1.5-
1.8, 2.2, 2.3, 2.7, 3.5, 3.6, 3.9 и глава 4 - совместно Ю.Я. Кувшиновым и
О.Д. Самариным, разделы 2.4,2.5, 3.2-3.4, 3.7, 3.8 и глава 5 - О.Д. Самари-
ным.
УДК 697.1
ББК 31.3
© Кувшинов Ю.Я., Самарин О.Д., 2012
© Издательство АСВ, 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение..............................................5
1. Параметры микроклимата помещения
и наружного климата....................................6
1.1. Параметры микроклимата, тепловой баланс
и терморегуляция организма человека...............7
1.2. Комфортные и пограничные температурные условия
в помещении..................................... 14
1.3. Влажность и подвижность воздуха, физиологическое
влияние, комфортные значения......................21
1.4. Понятие воздушного комфорта..................26
1.5. Нормирование параметров микроклимата.
Технологические требования к параметрам
микроклимата......................................29
1.6. Параметры наружного климата, измерения
и расчеты параметров..............................32
1.7. Нормирование параметров наружного климата,
понятие их .обеспеченности........................39
1.8. Закономерности суточного и годового изменения
параметров наружного климата......................45
Вопросы для самопроверки..............................52
2. Тепловая нагрузка на системы отопления-охлаждения
и определение воздухообмена в помещении.............55
2.1. Принципы определения тепловой мощности
систем отопления-охлаждения.......................55
2.2. Составляющие тепловой нагрузки на системы
отопления и охлаждения............................56
2.3. Теплопоступления от солнечной радиации
через светопрозрачные ограждения...................69
2.4. Теплопоступления от источников искусственного
освещения и других источников.....................76
2.5. Простейшие процессы изменения состояния
влажного воздуха в 7-бАдиаграмме...................80
2.6. Принципы определения требуемого воздухообмена
в помещении, оценка распределения
параметров в помещении........................87
2.7. Балансы вредностей в помещении, определение возду-
хообмена по теплоизбыткам и влаге, по газовым выдех
лениям и по кратности, санитарная норма воздуха...91
3
Вопросы для самопроверки.................................98
3. Процессы формирования и обеспечения
микроклимата помещения...................................100
3.1. Воздействие наружной среды на здание.............100
3.2. Процессы изменения состояния влажного воздуха
при вентиляции помещений..........................107
3.3. Процессы изменения состояния воздуха
при его кондиционировании (прямоточная схема).....113
3.4. Процессы изменения состояния воздуха
при его кондиционировании (схемы с рециркуляцией
и теплоутилизацией)..............................121
3.5. Струйные течения в помещении.................126
3.6. Движение воздуха около вытяжных отверстий....136
3.7. Основные способы воздухораздачи и их сравнение...138
3.8. Инженерный метод расчета воздухораспределения
в помещении......................................140
3.9. Моделирование процессов формирования
микроклимата......................................142
Вопросы для самопроверки.............................154
4. Энергопотребление и энергосбережение
при обеспечении микроклимата.........................156
4.1. Годовой расход энергии на отопление и охлаждение.157
4.2. Годовой расход энергии на вентиляцию.........160
Вопросы для самопроверки.............................166
5. Приложения........................................168
5.1. Примеры расчета теплопотерь через ограждения
для некоторых помещений..........................168
5.2. Методика расчета теплопотерь на нагрев
инфильтрующегося наружного воздуха................172
5.3. Пример расчета инфильтрационных теплопотерь..177
5.4. Пример расчета поступлений теплоты, влаги и
углекислого газа в помещение общественного здания.... 181
5.5. Пример расчета воздухообмена по избыткам явной
и полной теплоты и влаги.........................188
5.6. Допустимые и оптимальные параметры микроклимата
в помещениях жилых и общественных зданий
по ГОСТ 30494-96*.................................192
Список литературы........................................196
4
ВВЕДЕНИЕ
Учебник по дисциплине «Основы обеспечения микроклимата
зданий» предназначен для подготовки бакалавров по направлению
270800 «Строительство» (профиль «Теплогазоснабжение и вентиля-
ция»). Содержание учебника соответствует рабочей программе дис-
циплины и в значительной мере ориентировано на курс лекций, чи-
таемый в ФГБОУ ВПО «МГСУ».
Известно, что теоретические основы специальности составляет
комплекс фундаментальных теоретических и прикладных дисцип-
лин, таких, как «Математика», «Физика», «Информатика», «Меха-
ника жидкости и газа», «Техническая термодинамика», «Тепломас-
сообмен» и др. Эти дисциплины в разной степени детализации и
разном объеме изучаются студентами.
Наряду с фундаментальными науками по мере развития техники
и технологии обеспечения микроклимата в помещении возникла и
развивается прикладная наука о процессах переноса и трансформа-
ции в помещении потоков теплоты, влаги, газообразных примесей и
аэрозолей, формирующих параметры среды обитания, в которой че-
ловек осуществляет свою функциональную деятельность. Содержа-
ние этой науки составляют многочисленные исследования, прово-
дившиеся особенно активно в середине XX в. отечественными и за-
рубежными специалистами.
Цель курса - овладение научно-теоретическими основами обес-
печения микроклимата в помещении и способами их реализации при
проектировании и эксплуатации средств обеспечения микроклимата
помещения.
5
1. Параметры микроклимата помещения
и наружного климата
Здание - это совокупность помещений, представляющих собой
ограниченный объем, в пределах которого протекает жизнедеятель-
ность человека. Процесс жизнедеятельности сопровождается взаи-
модействием человека с окружающей его средой помещения.
Правильная организация помещений и здания в целом открыва-
ет возможность обеспечения в них безопасных и эффективных усло-
вий пребывания человека. Внутренняя среда помещения, прояв-
ляющаяся в большом числе факторов воздействия на человека,
называется микроклиматом помещения.
Среди факторов внутренней среды выделим комплекс микро-
климатических условий, оказывающих наиболее ощутимое физио-
логическое воздействие на человека. К ним относят тепловые усло-
вия в помещении и состав внутреннего воздуха.
Человек познает мир частично через ощущения, частично соз-
нанием. При этом непосредственно поступающая информация об
окружающей среде соотносится в мозгу с информацией, накоплен-
ной в памяти на базе предыдущего опыта. Это обстоятельство сви-
детельствует об индивидуальности восприятия человеком внутрен-
него микроклимата помещения. Окружающая среда, которая не
содержит раздражающих и возбуждающих факторов, препят-
ствующих физической и умственной работе, а также отдыху,
называется комфортной.
Приведенное определение распространяется также на тепловые
условия и состав воздуха помещения. Тепловые условия в настоя-
щее время принято оценивать температурой воздуха, радиационной
температурой помещения, относительной влажностью и подвижно-
стью воздуха.
Состав воздуха характеризуется концентрацией углекислоты,
концентрацией вредных газов, паров, пыли. Восприятие воздуха ха-
рактеризуется также озоно-ионным составом и запахами.
Перечисленные параметры являются исходными при проекти-
ровании зданий и систем обеспечения микроклимата и нормируют-
ся. При этом определение нормативных параметров исходит из
стремления к достижению оптимальных значений, т.е. таких, при
которых как можно меньшее число людей (обычно 15-30%) было
бы ими недовольно.
6
Использование оптимальных параметров микроклимата не во
всех зданиях бывает целесообразным и экономически оправданным.
Поэтому в отечественных нормах широко используется понятие до-
пустимых параметров, представляющих собой разумные граничные
значения, при которых не наблюдается отрицательного воздействия
на организм человека.
1.1. Параметры микроклимата, тепловой баланс
и терморегуляция организма человека
Параметры микроклимата формируются (рис. 1.1) в результа-
те воздействия на помещение наружной среды, технологического
процесса в помещении и систем отопления и охлаждения (СО) и
вентиляции (СВ) и кондиционирования воздуха (СКВ).
Теплоты
Влаги
Примесей
Рис. 1.1. Структурная схема формирования микроклимата
Наружная среда оказывает влияние на тепловые параметры
микроклимата опосредованно через ограждающие конструкции (те-
пло-влагопередача и воздухопроницаемость) и внутренние связи
7
между помещениями (перемещение потоков воздуха, теплообмен).
Поэтому теплозащита здания и планировочная композиция здания
являются пассивными факторами формирования теплового микро-
климата. Технологический процесс играет особенно активную роль
в формировании микроклимата. Сопровождающее этот процесс вы-
деление потоков тепла, влаги, газов, пыли осуществляется непосред-
ственно в помещение и прямо воздействует на тепловые параметры
и состав воздуха.
В свою очередь, эффективное протекание технологического
процесса в ряде современных производств невозможно без поддер-
жания параметров внутренней среды в определенных границах. В
этом случае говорят о технологических параметрах внутренней
среды.
Следует иметь в виду, что в большинстве производств техноло-
гический процесс осуществляется людьми. Поэтому более правиль-
но говорить о необходимости обеспечения комфортно-техноло-
гических условий в производственных помещениях (за исключени-
ем закрытых технологических линий, в которых не требуется уча-
стие человека).
Системы отопления-охлаждения и вентиляции активно
формируют внутренний микроклимат, нейтрализуя отрицательное
воздействие наружной среды и технологического процесса. Ранее в
значительной мере достижимая степень комфортности обеспечива-
лась за счет конструкции и теплозащиты здания в сочетании с отно-
сительно простыми отопительно-вентиляционными устройствами.
В современных зданиях обеспечение внутренних комфортных
условий представляет сложную техническую задачу. Увеличение
этажности здания приводит к существенному изменению перепада
давления воздуха снаружи и внутри здания по его высоте. В резуль-
тате возникает вертикальное перетекание воздуха и интенсивное
газовое и бактериологическое загрязнение верхних этажей, переох-
лаждение нижних этажей и повышение опасности их радонового
загрязнения.
Повышенная этажность здания из конструктивных сообра-
жений сопряжена с облегчением ограждений и увеличением площа-
ди окон. Это, в свою очередь, способствует радиационному диском-
форту в холодное время года и избыточной инсоляции в теплый пе-
риод.
Современные отделочные материалы вызывают дополнитель-
ное загрязнение воздуха летучими органическими соединениями,
формальдегидом и другими токсичными веществами.
8
Усиление герметичности заполнений световых проемов, жела-
тельное из условия энергосбережения, в то же время актуализирует
проблему вентиляции помещений, особенно в жилых зданиях мас-
совой застройки, в которых проветривание ведется естественным
путем. Вместе с тем требование интенсивного вентилирования со-
временных помещений связано с применением как новых отделоч-
ных материалов ограждений, так и синтетических материалов мебе-
ли, оборудования, оргтехники, акустических и видеосистем.
Вентиляция помещения способствует нормализации влажност-
ного режима помещения, а следовательно, увеличению долговечно-
сти ограждений.
Одно из актуальных требований современности - повышение
энергетической эффективности зданий - реализуется, в частно-
сти, за счет усиления их теплозащиты. Усиление теплозащиты пря-
мо сказывается на улучшении теплового комфорта помещений в хо-
лодное время года. Кроме того, уменьшение тепловой нагрузки на
отопление при усилении теплозащиты позволяет понизить темпера-
туру теплоносителя. Это также приводит к улучшению теплового
комфорта и улучшению качества воздуха в помещении.
Приведенные выше соображения свидетельствуют о многообра-
зии прямых и косвенных связей параметров здания и условий фор-
мирования микроклимата в нем.
Микроклимат помещения характеризуется комплексом пара-
метров, определяющих тепловое состояние помещения и газовый
состав воздуха в нем. Параметры микроклимата формируются под
воздействием на помещение потоков теплоты, влаги, газовых
примесей.
Перечисленные потоки поступают в помещение через наружные
ограждения из наружной среды, через внутренние ограждения из
соседних помещений здания и от внутренних источников, дейст-
вующих в технологическом процессе. При взаимодействии с объе-
мом помещения потоки трансформируются и преобразуются, вызы-
вая изменение соответствующих параметров микроклимата. Откло-
нение параметров от заданных значений компенсируется системами
отопления-охлаждения и вентиляции, которые, в свою очередь, так-
же подают в помещение потоки теплоты, влаги и свежий воздух,
нейтрализующие вредные воздействия на микроклимат.
При этом потоки, вызывающие отклонение параметров от за-
данных величин, называются возмущающими воздействиями, а
потоки, приводящие параметры к норме, - регулирующими воздей-
ствиями.
о
Процессы трансформации потоков теплоты, влаги и возду-
ха, в результате которых происходит изменение параметров
микроклимата, и есть процессы формирования микроклимата.
Можно выделить три группы физических процессов формирования
микроклимата, протекающих в помещении, - это процессы тепло-
обмена, процессы перемещения потоков воздуха и процессы моле-
кулярной диффузии газовых примесей в воздухе помещения.
Совокупность процессов формирования отдельных параметров
или групп параметров называют режимом. При рассмотрении задач
обеспечения микроклимата обычно имеют дело с тепловым, влаж-
ностным, воздушным и газовым режимами помещения или здания.
Теплообмен в помещении обусловлен поступлением в него те-
пловых потоков, которые принято условно разделять по их природе
на лучистые и конвективные. Конвективный теплообмен протекает
между поверхностями ограждений и оборудования и воздухом по-
мещения. Помимо этого в помещение поступают конвективные теп-
ловые потоки с нагретым (охлажденным) воздухом в основном от
систем вентиляции и коц
115 II
зонирования воздуха. В лучистом теп-
лообмене участвуют поверхности, обращенные в помещение.
Источниками теплоты в помещении, как правило, являются теп-
ловыделения от технологического оборудования, людей, искусст-
венного освещения, отопительных приборов и теплопоступления от
солнечной радиации через окна. Реже тепловые потоки, направлен-
ные внутрь помещения, проходят через непрозрачные наружные ог-
раждения - в основном через бесчердачные покрытия, нагреваемые
солнечной радиацией.
Стоки теплоты (тепловые потоки, направленные из помеще-
ния), как правило, - теплопотери через наружные ограждения и теп-
ловые потоки с охлажденным воздухом. Источники и стоки могут
быть чисто конвективными и смешанными - лучисто-
конвективными. Следует иметь в виду, что потоки разной природы
по-разному формируют температурные условия в помещении. Так,
лучистые потоки поглощаются поверхностями ограждений и мебели
и приводят к их нагреву. Распределение лучистых потоков в поме-
щении носит, как правило, неравномерный, или ассиметричный, ха-
рактер, что приводит к неравномерному нагреву отдельных поверх-
ностей. Нагретые поверхности передают за счет естественного кон-
вективного теплообмена теплоту воздуху помещения. Если темпера-
тура воздуха выше температуры поверхности, конвективный тепло-
обмен имеет другое направление. Так как поверхности ограждений
обладают тепловой инерцией, теплообмен протекает в нестационар-
10
ном режиме. Подвижность воздуха несколько интенсифицирует ес-
тественный теплообмен на поверхностях.
Конвективная теплота поступает непосредственно в воздух, ко-
торый не обладает тепловой инерцией, что приводит к быстрому
изменению температуры воздуха
В помещениях большого объема происходит медленное пере-
мешивание воздуха, что приводит к неравномерному распределению
температуры воздуха.
Перемещение потоков воздуха имеет место как между поме-
щениями в пределах здания, так и в пределах одного помещения.
Помимо этого в помещение через наружные ограждения поступает
наружный или удаляется внутренний воздух. Потоки воздуха, попа-
дающие в помещение из других помещений, несут с собой газовые
примеси, загрязняющие воздух помещения. Наружный воздух, как
правило, охлаждает помещение.
Перемещение воздуха между помещениями по вертикали зда-
ния обусловлено вертикальным распределением разности давления
снаружи и внутри здания при разности объемного веса наружного и
внутреннего воздуха. В большинстве случаев объемный вес наруж-
ного воздуха больше, поэтому потоки воздуха имеют направление
снизу вверх (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Схема вертикального перемещения потоков воздуха в здании
Горизонтальное перемещение воздуха связано с действием вет-
ра на здание. При этом воздух инфильтруется в помещение через
неплотности наружных ограждений с наветренной стороны здания, а
эксфильтруется наружу - в помещении на заветренной стороне
здания.
11
Движение потоков воздуха внутри помещения возникает около
нагретых поверхностей отопительных приборов и технологического
оборудования и охлажденных поверхностей наружных ограждений
(так называемые конвективные источники, формирующие конвек-
тивные струи) (рис. 1.3). Наиболее интенсивное движение воздуха в
помещении связано с действием вентиляционных струй. В резуль-
тате перемещения потоков воздуха в объеме помещения имеет место
неравномерное распределение газовых примесей, температуры,
влажности и подвижности воздуха. В пределах рабочей зоны поме-
щения возникают застойные зоны с вихреобразным движением воз-
духа, в которых могут накапливаться вредные примеси, что недопус-
тимо.
оборудование
Рис. 13. Перемещение потоков в помещении
Молекулярная диффузия паров и газов в воздухе имеет место за
счет разности парциального давления в непосредственной близости
от источника примесей и в удалении от него. Вследствие подвижно-
сти воздуха скорость распространения вредных примесей в объеме
помещения во много раз превышает скорость диффузии. Поэтому
этот процесс не оказывает существенного влияния на формирование
параметра микроклимата - концентрации газовой вредности в той
мере, как, например, перемещение потоков воздуха в помещении.
Протекающие в организме человека процессы поглощения, пре-
вращения, хранения и выделения продуктов жизнедеятельности
принято называть метаболическими процессами. Сопутствующий
круговорот энергии состоит в окислении питательных веществ, об-
12
мене веществ теплопродукции и механической работе мышц, при-
чем энергетический баланс под держивается, если количество выра-
батываемой организмом энергии, которую физически устанавлива-
ют по объему потребляемого кислорода, равно количеству выделяе-
мой энергии.
В состоянии покоя взрослый человек потребляет 15 л/ч кисло-
рода, при выполнении физической работы эта цифра возрастает поч-
ти до 180 л/ч. Выделяющееся при сгорании 15 л/ч кислорода (в со-
стоянии покоя) количество теплоты составляет 88 Вт и может дости-
гать 1060 Вт.
Рассчитанная по количеству потребляемого кислорода метабо-
лическая тепловая энергия М9 Вт/м2, выражается формулой
-Fo
М = 5,8-И-^,
Гд
(1.1)
где 5,8 - энергетический эквивалент 1 л кислорода при нулевой тем-
пературе и нормальном барометрическом давлении и V = 1 Вт-ч/л;
V - соотношение количества выдыхаемого углекислого газа и
вдыхаемого кислорода;
К02 - потребление кислорода в нормальных физических усло-
виях, л/ч;
Рд - площадь поверхности организма человека (по Дюбуа), м2:
Гд =0,203G°’425£°’725 ,
здесь G - масса человека, кг; L - рост человека, м.
Эти формулы основаны на результатах многочисленных испы-
таний, проведенных гигиенистами в разных странах и в различных
условиях. Данные авторов по энергетическому балансу человека
часто расходятся. В то же время на практике используют классифи-
кацию, в которой различают три степени тяжести работы:
а) легкая (обычно сидячая или стоячая, но не связанная с перено-
сом тяжестей более 1 кг), 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 соот-
13
ветствует энергозатратам, достигающим 300 Вт, к ней относят руко-
делие и механизированный труд, связанный с переносом тяжестей
до 10 кг;
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, ко-
эффициент полезного использования энергии ц = 20%. По П.О. Фан-
геру, эту значение следует рассматривать как максимально возмож-
ное. Малая часть метаболической теплоты расходуется на обеспече-
ние внутриобменных процессов, следовательно, большую ее долю
надо удалять из организма. Теплообмен между организмом и окру-
жающей средой происходит путем радиации, конвекции, теплопро-
водности и испарения. Теплоотдача организма определяется темпе-
ратурой кожи, воздуха и окружающих человека поверхностей, пар-
циальным давлением водяного пара в воздухе, скоростью потока
воздуха, омывающего человека, и зависит от вида одежды и площа-
ди поверхности организма.
1.2. Комфортные и пограничные температурные условия
в помещении
Русский исследователь И.И. Флавицкий в 1884 г. выявил ком-
плексное воздействие метеорологических факторов на человека. Это
обстоятельство означает, что ощущение теплового комфорта появ-
ляется, если параметры микроклимата находятся в определенном
сочетании.
В качестве обобщающего температурного показателя использу-
ют температуру помещения, в первом приближении равную сред-
ней между температурой воздуха 4 и радиационной температурой tp:
Радиационную температуру рассматривают как осредненную
по площади температуру внутренних поверхностей в помещении
(подробнее это рассматривается в курсе «Теплофизика зданий»).
Температура помещения может быть измерена с помощью шарового
термометра.
14
Данные о комфортных сочетаниях температуры воздуха и ра-
диационной температуры приводит ряд авторов. Так, для легкой ра-
боты, выполняемой человеком, В.Н. Богословский дает следующие
показатели комфорта:
для холодного периода
Гр =1,57^-0,57/в;
для теплого периода
Гр—1,54 0,5Гв.
Показатели комфорта, по В.Ф. Раберу и Ф.М. Гатчинсону, тако-
вы:
4+4=42,2.
(1.5)
Комфортное сочетание 4 и 4 по данным Т. Бедфорда и В. Лизе,
показано на/же. 1.4.
Рис.1.4. Комфортное сочетание температуры воздуха и радиационной
температуры помещения
15
Сочетание температуры воздуха, поверхностей, скорости и от-
носительной влажности воздуха определяют по диаграмме для эф-
фективной температуры, разработанной Хьюстоном, Яглоу и
Мюллером. На рис. 1.5 показана аналогичная диаграмма, разрабо-
танная в Институте профзаболеваний им. Обуха, а по данным
А.Мачкаши - на рис. 1.6.
Рис. 1.5. Карта (диаграмма) нормально эффективных и эквивалентно
эффективных температур
В последние десятилетия общепризнанны материалы о тепло-
вом комфорте, опубликованные П.О. Фангером. Из рассмотрения
балансовых уравнений явной и скрытой теплоотдачи человеком и на
основании многочисленных опытов он получил уравнение теплово-
го комфорта
16
6,91 + —(0,45 - 0,601Т) + 0.003P+0,0014fB ) + 0,407Р =
Гд
(1.6)
ОД
100
где-----удельное значение метаболической теплоты, Вт/м2;
^д
т] - механический коэффициент полезного действия;
Р - парциальное давление водяного пара в воздухе, мм рт.ст.;
toa - температура одежды, °C;
Аг - отношение площади поверхности тела человека, покрытой
одеждой, к поверхности без одежды (безразмерное);
к = 1 + 0,2с1о при clo <0,5; к -1,05 + 0,1с1о при clo > 0,5; где clo
- термическое сопротивление одежды в условных единицах (1 clo =
= 0,155 м2-К/Вт);
ав- коэффициент теплообмена, Вт /(м2-К).
Рис. 1.6. Диаграмма условий комфорта, по данным А. Мачкаши:
4.ср - температура поверхности тела; а - линия комфорта;
б - верхняя граница комфорта; в - нижняя граница комфорта
17
Температура одежды рассчитывается по формуле
/од =35,7 - 0,028М(1-т])-
В уравнении комфорта учтены различные факторы, определяю-
щие ощущения теплового комфорта: параметры микроклимата - 4,
Р, V (в скрытом виде); одежда человека - к, clo; характер физиче-
ской работы - М, ц. Здесь и далее М-метаболическая теплота в ус-
ловных единицах met (1 met = 58,2 Вт/м2).
Эту модель можно отобразить с помощью номограмм, позво-
ляющих последовательно выбрать комфортное сочетание парамет-
ров.
Помимо уравнений теплового комфорта П.О. Фангер предложил
метод расчета теплоощущения человеком, позволяющий путем со-
поставления фактических параметров и расчетных выявить степень
дискомфорта в отдельных точках помещения. На основе приведен-
ной ниже шкалы ожидаемых значений теплоощущения (PMV - pre-
dicted mean vote, т.е. предсказываемый средний отклик человека на
сочетание метеопараметров) можно численно оценить субъективное
психофизиологическое ощущение человека:
PMV -3 -2 -1 0 1 2 3
Ощу- щение Холод- но Про- хладно Слегка про- хладно Ком- фортно Слег- ка тепло Тепло ко
При разработке шкалы П.О. Фангер исходил из следующего:
чем больше напряжение механизма терморегуляции для поддержа-
ния теплового баланса, тем больше степень дискомфорта. В данном
случае степень дискомфорта зависит от разности теплопродукции
организма и теплоотдачи в окружающую среду. Эту разность назы-
вают нагрузкой Q09 которая, в свою очередь, определяется фактиче-
скими параметрами микроклимата и может быть описана уравне-
ниями теплообмена организма, положенными в основу уравнений
комфорта.
18
На основе собственных экспериментов и опытных данных дру-
гих исследователей П.О. Фангер получил следующую формулу для
расчета в условиях равенства температуры воздуха и радиационной
температуры и при относительной влажности 50%:
PMV = [0,303ехр(-0,036М) + О,О28]£?о. (1.8)
Значения PMV для различных уровней физической деятельно-
сти и разной степени теплозащиты одежды предложены в виде таб-
лиц. Разработаны корректирующие диаграммы для случая, когда
относительная влажность воздуха отличается от 50%, а ?в # tp.
Приближенно значение PMV для рассматриваемых условий
можно найти также по формуле (О.Д. Самарин)
PMV =
0,468-0Д48М
0,35 + 0,65с1о
(1.9)
Здесь tn — фактическая температура помещения, °C; С.опт - ее
оптимальный уровень, соответствующий полному комфорту (при
PMV = 0). Значения clo для различных сочетаний одежды и метабо-
лической теплоты Мпо Фангеру приведены ниже:
Сочетания одежды clo Вид работы М, met
Легкая летняя 0,45 Сон 0,6
Деловой костюм 0,80 Отдых 0,75
Демисезонная (плащ, брюки) 1,40 Легкая работа (1а-1б) 0,9-1,0
Зимняя обычная 2,00 Работа средней тяжести (2а-2б) 1,35-1,7
Зимняя утепленная 2,55 Тяжелая работа (За-Зб) 2-4
Практическое применение PMV наглядно демонстрируется дан-
ными, приведенными на рис. 1.7, где показаны изол
и PMV для
школьного класса. На основе эксперимента, в котором участвовало
большое число людей, П.О. Фангер выявил зависимость между ожи-
даемым числом людей, недовольных тепловой обстановкой (показа-
тель PPD - predicted percentage of dissatisfied, т.е. предсказываемый
процент недовольных), и показателем теплоощущения (рис. 1.8). Как
видим, кривая симметрична относительно PMV = 0, при этом дис-
комфорт ощущают 5% людей. В практических расчетах принимают
оптимальное значение этого показателя, равное 25%.
19
I.. I I 1..1 „1.-I I I .J J
01234 56 7 89 10 м
Рис. 1.7. Кривые изолиний PMV для школьного класса
(по данным П.О. Фангера)
Рис. 1.8. Зависимость между ожидаемым числом людей, недовольных
тепловой обстановкой (PPD), и показателем теплоощущения PMV
Из формулы (1.8) можно выразить допустимое отклонение tn от
оптимального уровня:
д/ =|pmv| °’35+^**L
п 1 0,468- 0,148М
(1.10)
где |PMV| принимают в зависимости от максимальной величины PPD.
13. Влажность и подвижность воздуха,
физиологическое влияние, комфортные значения
Существенным фактором физиологического воздействия на ор-
ганизм человека является влажность воздуха, влияние которой на
тепловой комфорт связано с дыхательным трактом человека. Г.
Эверт установил, что скорость движения слизи, покрывающей носо-
вую полость, дыхательные пути и альвеолы легких, зависит главным
образом от относительной влажности вдыхаемого воздуха.
Если влажность составляет менее 40%, то слизь движется с не-
большой скоростью, налипая на оболочки (рис. 1.9). В результате со-
.ается подвижность эпителия, что способствует проникновению в
легкие бактерий и вирусов. Исходя из этого, рекомендуется относи-
тельную влажность воздуха поддерживать в интервале 40-60%.
Отностительная влажность, %
Рис. 1.9. Зависимость между относительной влажностью вдыхаемого
воздуха и скоростью движения слизи: а - для кур
б - для неку-
•ЕПШЁ
рящих; точки на линиях соответствуют средней скорости слизи при
относительной влажности 43,6 %
21
Другим проявлением влияния влажности воздуха на тепловой
комфорт является зависимость скрытой теплоотдачи организма от
влажности. Теплота в результате испарения влаги отводится из лег-
ких 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% отдаваемой те-
плоты.
Влагоотдача, а следовательно, и скрытая теплоотдача организ-
ма зависят от температуры воздуха (рис. 1.10). Потоотделение начи-
нается при температуре 28-29 °C, а свыше 34 °C теплоотдача испа-
рением вообще остается единственным способом.
Рис. 1.10. Зависимость теплоотдачи человеческого тела по явной
и скрытой теплоте от температуры воздуха помещения
В инженерных расчетах тепло- и влагопоступления от людей в
зависимости от тяжести работы и температуры воздуха помещения
можно принимать по табл. 1.1.
22
Таблица 1.1
Количество теплоты и влаги, выделяемое взрослыми людьми
(мужчинами)
Показатель Количество теплоты, Вт/чел, и влаги тч, г/(ч-чел), выделяе- мых одним человеком при температуре воздуха в помеще- нии, °C
10 15 20 25 30 35
В СОСТОЯНИИ ПО! <оя
Теплота явная цчя 140 120 90 60 40 10
Полная qw 165 145 120 95 95 95
Влага тпч 30 30 40 50 75 115
При j гегкой работе
Ччя 150 120 99 65 40 5
Яч.а 180 160 151 145 145 145
тч 40 55 75 115 150 200
При работе средней тяжести
^Ч.я 165 135 105 70 40 5
Яч.п 215 210 205 200 200 200
тч 70 110 140 185 230 280
Прит яжелой раС >оте
Ячя 200 165 130 95 50 10
*7ч.п 290 290 290 290 290 290
тч 135 185 240 295 355 415
Примечание. Для женщин значения из таблицы необходимо умножать
на 0,85; для детей - на 0,75.
Новейшие исследования П.О. Фангера расширяют существую-
щие представления о влиянии влажности на теплоощущения чело-
века. Было выявлено, что людям нравится ощущение прохлады в
дыхательных путях при каждом вдохе. Так, на рис. 1.11 показано
распределение процентной доли испытуемых, недовольных тепло-
влажностным состоянием вдыхаемого воздуха. Высокая энтальпия
означает низкую способность вдыхаемого воздуха охлаждать слизи-
стые оболочки дыхательных путей путем конвекции и испарения.
Гигиенические исследования П.О. Фангера показали, что ло-
кальное воздействие температуры и влажности воздуха на дыха-
тельные пути и, следовательно, на воспринимаемое качество возду-
ха на порядок сильнее, чем в отношении тепловых ощущений тела
человека. Энтальпия воздуха зависит от его влагосодержания: низ-
23
кое (обычно холодной зимой) неблагоприятно воздействует на кожу
человека - она становится сухой и может растрескиваться от натя-
жения.
Рис. 1.11. Восприятие чистого воздуха при разной энтальпии воздуха
в помещении (воздействие на все тело в целом):
1 - процентная доля испытуемых, недовольных тепловлажностным состоя-
нием вдыхаемого воздуха; 2 - энтальпия воздуха, кДж/кг
В создании теплового комфорта в помещении «участвует» и
подвижность воздуха. Например, малая подвижность или отсутст-
вие движения воздуха создают впечатление затхлости, так как во-
круг тела человека образуется тонкая воздушная оболочка, имеющая
высокую температуру и насыщенная водяным паром. В результате
затрудняется тепло- и влагообмен с окружающим воздухом. Мини-
мальная подвижность воздуха, разрушающая эту оболочку, по дан-
ным разных авторов, составляет 0,05-0,1 м/с. Чрезмерная подвиж-
ность воздуха вызывает ощущение сквозняка. Из-за охлаждающего
воздействия движущегося воздуха нарушается тепловосприятие
кожного покрова, причем как только эффект охлаждения превысит
некоторое критическое значение, сосуды начинают сужаться. Наи-
более подвержены воздействию сквозняка затылок и лодыжки, при
этом подвижность воздуха ограничена 0,15 м/с. Область комфортно-
го сочетания подвижности и температуры указана на рис. 1.12.
Исследования последних лет показывают, что ощущение сквоз-
няка связано не только с подвижностью воздуха, но и с ее пульсаци-
ей, т.е. турбулентностью воздуха. П.О. Фангер и К.К. Педерсен ус-
тановили, что при значениях скорости движения и температуры воз-
24
духа, отвечающих требованиям теплового комфорта, большое число
испытуемых не ощущают комфорта. Объяснение тому - особенная
восприимчивость к переменам органов чувств человека.
Рис. 1.12. Область комфортного сочетания подвижности
и температуры воздуха
На рис. 1.13 показано сочетание температуры, подвижности и
турбулентности, соответствующее ощущению комфорта у 85% ис-
пытуемых людей.
Рис. 1.13. Сочетание средней
скорости движения воздуха
(7), температуры воздуха (2)
и интенсивности турбулент-
ности (3), соответствующее
ощущению комфорта у 85 %
испытуемых людей
1.4. Понятие воздушною комфорта
Комфортность человека определяется не только тепловлажност-
ными параметрами воздуха в помещении, но требует также, чтобы
соблюдался близкий природному состав воздуха, отсутствие в нем
вредных примесей и неприятных запахов. В такой обстановке чело-
век ощущает воздушный комфорт, что очень важно, ведь большую
часть жизни он проводит в замкнутом объеме помещения и вынуж-
ден дышать внутренним воздухом.
Нарушение комфортного ощущения воздушной среды в граж-
данских зданиях связано со следующими причинами:
- накоплением антропотоксинов;
- деструкцией полимерных материалов в помещении;
- фоновым загрязнением наружного воздуха, подаваемого в по-
мещение;
- 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, образую-
щийся в результате неполного сгорания топлива; он хорошо смеши-
вается с воздухом, легко соединяется с гемоглобином крови, связы-
вает 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 де-
тей наихудшим образом, увеличивают риск респираторных заболе-
ваний;
3) летучие химические соединения - в основном пары раство-
рителей и чист?
1111
их бытовых веществ, при длительном воздействии
раздражающие слизистую оболочку глаз и дыхательные пути, отри
цательно влияющие на нервную систему, кожу, печень и почки;
4) формальдегид - бесцветный газ с резким запахом, выделяю-
щийся из древесно-стружечных плит (мебели, отделочных материа-
лов), а также пенопластовых уреаформальдегидных материалов (те-
26
плоизоляционных); малые концентрации способствуют раздраже-
нию глаз, носа и горла, при более высоких концентрациях появля-
ются 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 воз-
можна 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 лег-
кие, 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 бо-
лее 500 °C, 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 воздейст-
вует на умственное и физическое развитие детей;
8) биологические загрязняющие вещества:
- плесень - разновидность грибов, обнаруживаемая в сырых, пло-
хо 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 возникаю-
щая 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, становят-
ся источником инфекционных заболеваний;
9) табачный дым, содержащий капельки смолы и других вред-
ных веществ, вызывает легочные заболевания, в том числе рак лег-
ких даже у некурящих людей; особенно велико вредное воздействие
дыма на детей.
На промышленных предприятиях, кроме того, выделяются сер-
нистый газ, пары синильной кислоты, пары и пыль марганца, пары
ртути и другие высокотоксичные пары и газы, а также многочислен-
27
ные виды пыли, дымы, возникающие в результате механической об-
работки, а также горения и возгонки материалов.
Одно из условий воздушного комфорта - это отсутствие в воз-
духе неприятных запахов, сопутствующих выделению необязатель-
но токсичных веществ. Лучший способ борьбы с вредными запаха-
ми - локализующая и общеобменная вентиляция.
Выявление гигиенически обоснованного воздухообмена в по-
мещении 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 со-
держание 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, рав-
ную 0,1%, однако при подаче такого воздуха большое число людей
ощущает дискомфорт. Потребное количество свежего воздуха сле-
дует определять из условия разбавления комплекса токсичных ве-
ществ, выделяющихся в процессе жизнедеятельности организма че-
ловека, - так называемых антропотоксинов. Из более чем 30 вред-
ных веществ некоторые высокотоксичны, и выделение организмом
таких веществ означает превышение их предельно допустимой кон-
центрации 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 поме-
щение поступает не менее 80 м3/ч свежего воздуха на одного челове-
ка. Однако для полного ощущения комфорта только подачи нужного
количества воздуха недостаточны. Установлено, что в помещениях,
оборудованных воздушным отоплением и кон,
онерами, при со-
блюдении всех комфортных условий ощущается дискомфорт, что
объясняется нарушением озоно-ионного состава воздуха.
Как известно, отрицательные ионы кислорода благотворно воз-
действуют на человека, причем легкие ионы предпочтительнее, чем
тяжелые. В то же время при обработке воздуха в кондиционерах про-
исходит деструкция ионного состава воздуха. По данным Ю.Д. Гу-
бернского, этот процесс настолько губителен, что содержание легких
отрицательных ионов в помещении в среднем сокращается в 8 раз.
После обработки наружного воздуха в оросительной камере доля лег-
ких отрицательных ионов составляет 0,7% от нативной, а в соплах
эжекционных доводчиков их количество уменьшается в 72 раза.
28
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, на-
пример, с помощью ионизаторов.
1.5. Нормирование параметров микроклимата.
Технологические требования к параметрам микроклимата
Современные технологии в таких отраслях, как точное машино-
строение, радиотехническая, химическая, пищевая, текстильная, по-
лиграфическая промышленность, производство синтетических воло-
кон и др., неэффективны без поддержания круглый год определен-
ных сочетаний температуры и влажности воздуха, его подвижности,
а также чистоты. Производство интегральных микросхем, функцио-
нирование предприятий микробиологической промышленности
возможны только в замкнутом объеме, где к чистоте воздуха предъ-
являют специальные требования.
Технологические требования к значениям температуры и влаж-
ности воздуха и их изменению обусловлены физико-химическими
свойствами обрабатываемых, производимых или хранимых мате-
риалов и изделий. Так, влажность воздуха влияет на свойства гиг-
роскопичных материалов, а следовательно, и на качество изделий из
них. В табл. 1.2 приведены данные о равновесной влажности в про-
центах к весу сухого материала при температуре 24 °C.
Таблица 1.2
Равновесная влажность некоторых материалов
Материал Относительная влажность воздуха, %
10 30 50 70 90
Бумага писчая 3 5,2 7,2 9,9 14,2
Клей 3,4 5,8. 7,6 10,7 12,5
Кожа 5 11,2 16 20,6 29,2
Лен (волокно) 1,9 3,6 5,1 7 10,2
Резина 0,11 0,31 0,54 0,76 0,99
Струны для ракеток 4,6 8,6 12 17,3 21,7
Шерсть 5,7 8,9 12,8 17,2 23,4
Шелк 3,2 6,9 8,9 11,9 18,8
Шелк искусственный (полотно) 0,8 1,4 2,4 3,6 5,3
29
Как видно, масса материалов, широко используемых в полигра-
фической, текстильной и кожевенной промышленности, значитель-
но меняется по мере изменения влажности, причем влияние темпе-
ратуры сказывается меньше, чем влияние влажности. Например, в
текстильной промышленности 5%-ное колебание относительной
влажности воздуха дает изменение свойств пряжи более существен-
ное, чем при изменении температуры на 10 °C.
Что касается других производств и отраслей, то:
1) в окрасочном производстве при сушке лака нужна повышен-
ная 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 тем-
пературы воздуха ведет к недопустимо большому увеличению или
уменьшению размеров деталей из-за линейного расширения мате-
риалов; так, при нанесения рисок на измерительные лимбы металло-
обрабатывающих станков допустимые колебания температуры воз-
духа составляют ± 0,01 °C;
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 полиро-
ванных поверхностей от микрокоррозии также следует поддержи-
вать низкую температуру и низкую влажность воздуха;
4) опасно в ряде производств и неприятно в быту и обществен-
ных 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 ста-
тического электричества на эластичность и обрывность волокна, по-
этому также требуется повышенная влажность воздуха;
6) при производстве химических волокон, например в камере
предсозревания щелочной целлюлозы, необходимо поддерживать
температуру воздуха 30-35 °C при относительной влажности не ни-
же 90%;
7) в полиграфическом производстве повышенная влажность
воздуха обеспечивает требуемое качество бумаги и предупреждает
накопление статического электричества, а колебания влажности бо-
лее ± 5% влияют на размеры бумажного волокна, что ухудшает ка-
чество многоцветной печати;
30
8) в производстве интегральных схем методом фотопечати в
чистых помещениях, одном из современных технологических про-
цессов, колебания температуры и влажности вызывают изменения
размеров сверхтонких пленок, на которые наносится интегральная
схема, что недопустимо, поэтому в подобного рода процессах воз-
можны колебания температуры ±0,05 °C и относительной влажности
±0,5%. Особые требования предъявляются в этом производстве к
чистоте воздуха, что вполне понятно: попадание даже самой ма-
ленькой пылинки между слоями микропленок, толщина которых
находится на молекулярном уровне, выводит элемент в бра^с (в соот-
ветствии с американским стандартом класс чистоты помещения ис-
числяется числом пылинок размером более 0,5 мкм в одном кубиче-
ском футе воздуха);
9) в некоторых отраслях пищевой промышленности (в частно-
сти, мясоперерабатывающих и подсобных цехах, производстве шо-
колада и изделий из него и др.) важно поддержание заданных пара-
метров воздушной среды; так, определенное сочетание температуры
и влажности воздуха обеспечивает эффективный процесс откорма
скота и птицы.
На рис. 1.14 показаны области сочетания температуры и относи-
тельной влажности воздуха для отдельных технологических процес-
сов. Нормативные значения данных параметров приводятся в ГОСТ
12.01.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к возду-
ху рабочей зоны». Для жилых и общественных зданий соответст-
вующие данные содержатся в ГОСТ 30494-96* «Здания жилые и
общественные. Параметры микроклимата в помещениях» (см. при-
ложение - п. 5.6). Для большинства общественных зданий опти-
мальные и допустимые сочетания основных метеопараметров можно
представить в виде табл. 1.3.
Рис. 1.14. Области сочетания температуры и влажности воздуха, оптималь-
ные по технологическим требованиям для производства бумажной и поли-
графической промышленности (7), точного машиностроения (2), текстиль-
ной (3), электротехнической (4) и химической (5) промышленности
31
Таблица 1.3
Оптимальные и допустимые параметры микроклимата
общественных зданий
Расчетный период года Допустимые параметры (для В) Оптимальные параметры (для КВ)
t °C <в» Фв, % 4, °C фв, %
ТП 18-28 <65 23-25 60-30*
хп,пп 18-23 <60 19-21 30-45*
* На первом месте - наиболее целесообразные значения.
1.6. Параметры наружного климата, измерения
и расчеты параметров
Воздействие отдельных метеорологических элементов на тепло-
вой, влажностный и воздушный режим здания и работу его инже-
нерных систем является комплексным.
При проектировании и в процессе эксплуатации здания возника-
ет ряд задач, решение которых сопряжено с использованием различ-
ных по номенклатуре и объему климатологических данных.
Основу климатологической информации составляют ретулярные
непрерывные измерения метеоэлементов в сети метеостанций. На
станциях измеряют температуру воздуха и поверхности грунта, эф-
фективное излучение, скорость и направление ветра, относительную
влажность воздуха и барометрическое давление, а также интенсив-
ность прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверх-
ность.
Ряд климатических параметров, таких как парциальное давление
водяного пара, влагосодержание и энтальпия воздуха, интенсив-
ность радиации на вертикальные и наклонные поверхности разной
ориентации, рассчитывают, используя имеющиеся значения изме-
ряемых 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.
32
Под расчетными понимаются наиболее неблагоприятные погод-
ные условия, при которых выбирается теплозащита здания и устано-
вочная мощность (производительность) систем обеспечения микро-
климата. Расчетным условиям соответствует комплекс параметров
наружного климата, за пределами которых система заведомо не
обеспечивает поддержание расчетных параметров микроклимата.
Эксплуатационные условия характеризуются изменением пара-
метров 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 сфериче-
ской геометрии. При этом интенсивность радиации на поверхность
любой ориентации и положения определяется профильным углом.
Профильный угол - это угол между лучом солнца и нормалью к по-
верхности (рис. 1.15). Величина интенсивности на горизонтальную,
наклонную и вертикальную поверхности определяется как функция
профильного угла 5, =5Hcos0, где £н - интенсивность прямой ра-
диации на нормальную к лучам поверхность, Вт/м2.
Для горизонтальной поверхности
cos0r = sin 6 sin ф+cos 5 cos (р cosy; (1.11)
для вертикальной поверхности
cos GB = cos a(cos 8 cos у sin ф - sin 8 cos ф) +
(1.12)
+sin a cos 8 sin у;
2 Основы обеспечения микроклимата зданий
33
для наклонных поверхностей
cos 0„ = sin Д cos 0В + cos Д cos 0Г,
Jtl » 1
(1.13)
где а - азимут поверхности, град;
у - часовой угол, град;
<р - графическая широта местности, Град;
8 - склонение солнца, град;
Д - угол наклона поверхности к горизонту, град.
Используя в качестве измеренной интенсивность прямой радиа-
ции на горизонтальную поверхность, коэффициент пересчета пря-
мой радиации на вертикальные поверхности равен къ = cos0B/cos0r.
Формулы (1.11)-( 1.13), строго говоря, справедливы для безоб-
лачного неба, однако без особой погрешности их можно использо-
вать для средних условий обеспеченности. При этом надо иметь в
виду, что при пересчете среднесуточных значений интенсивности
следует учитывать нелинейность формул (1.11)-( 1.13). Среднеинте-
гральные значения коэффициента пересчета къ, cos0r приведены в
табл. 1.4.
Таблица 1.4
Коэффициенты кЛ и cosOr для пересчета на вертикальную поверхность
интенсивности среднесуточной прямой солнечной радиации
для горизонтальной поверхности
Ориента- ция Значение величин для географической широты (град)
40 45 50 55 60 65 40 45 50 55 60 65
Январь Октябрь
Ю 1,79 2,58 2,94 3,1 6,01 11,22 1,25 1,54 1,89 2,38 2,98 3,87
В;3 0,51 0,67 0,68 0,61 1,02 1,36 0,51 0,57 0,64 0,72 0,83 0,98
ЮВ;ЮЗ 1,29 1,85 2,1 2,19 4,25 7,94 0,98 1,18 1,42 1,75 2,16 2,79
СВ;СЗ 0,03 0,03 0,02 0 0 0 0,09 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05
cosGr 0,43 0,31 0,29 0,23 0,15 0,03 0,5 0,44 0,38 0,32 0,27 0,22
Апрель
Ю 0,41 0,49 0,62 0,74 0,9 1,1
С 0,02 0,02 0,02 0,02 0,03 0,05
В;3 0,42 0,43 0,47 0,52 0,6 0,71
ЮВ; ЮЗ 0,49 0,52 0,62 0,72 0,85 1,03
СВ;СЗ 0,2 0,19 0,2 0,21 0,24 0,3
COS0r 0,69 0,67 0,62 0,58 0,57 0,44
34
Рассеянная солнечная радиация при средних условиях облачно-
сти одинаково распределена на поверхности разной ориентации.
При безоблачном небе интенсивность рассеянной радиации на вер-
тикальной поверхности оказывается разной для ограждений, облу-
Сумма рассеянной и отраженной радиации называется диффуз-
ной радиацией. Интенсивность отраженной радиации зависит от
конкретных условий застройки, и ее расчет представляет определен-
ные трудности. Поэтому в расчете принимают отраженную радиа-
цию в количестве 20% от рассеянной на горизонтальную. Эта вели-
чина соответствует среднему альбедо (отношению отраженного по-
тока к падающему в %) поверхности земли (альбедо асфальта 18,5%,
старого снега 46%, травы 19-26%, пашни 14-26%, леса 12-19%).
При расчете интенсивности рассеянной радиации следует учи-
тывать, что облученность вертикальной поверхности небосводом
составляет 0,5, а горизонтальной 1. С учетом изложенного получим
формулу для расчета диффузной радиации на произвольно располо-
женную поверхность:
Z) = Dr(0,5 + 0,5cosA + 0,2smA),
(1.14)
где DT - интенсивность рассеянной радиации на горизонтальную по-
верхность, Вт/м2.
Парциальное давление водяного пара рассчитывается по дан-
ным измерения относительной влажности по формуле
где РНас - парциальное давление водяного пара при полном насыще-
нии - функция температуры наружного воздуха.
Влагосодержание наружного воздуха г/кг:
d = 622 m
(1.15)
где В - барометрическое давление, Па.
Энтальпия (теплосодержание) наружного воздуха /, кДж/кг:
I = 1,005?+(2500+1,807?)?/ • 10“3.
(116)
35
Приближенно все параметры состояния влажного воздуха (как
наружного, так и внутреннего) могут быть рассчитаны по следую-
щим формулам:
парциальное давление водяного пара при полном насыщении,
Па:
с
Г + 273,15,
где А = 1,8424-Ю11 при t > О, А = 2,498-1011 приГ<0;
с = 5331 при t> 0, с = 5419 при t< 0;
парциальное давление водяного пара, Па:
► JL-
нас 10() >
влагосодержание, г/кг: d - 630——;
энтальпия, кДж/кг: I = 1,005-/ + 2,49-6?; (1.16а)
температура точки росы, °C, т.е. температура, до которой нужно
охладить воздух при d - const, чтобы в нем началась конденсация
водяных паров:
с
273,15,
где D - 25,94 при t > 0, D = 26,24 при t < 0;
температура мокрого термометра, °C, т.е. температура, которую
приобретает смоченный шарик термометра в приборе для измерения
относительной влажности воздуха:
t„ = 4,47^/7-13,83 (при/>0),
=0,82-7-5,54 (при7<0).
Величина /м зависит только от /, поскольку является предельной
температурой при увлажнении воздуха при I - const (см. п. 2.5). При
этом поток скрытой теплоты к воздуху с испаряющейся водой равен
36
обратному потоку явной теплоты от воздуха к воде за счет возник-
шей разности температур, поскольку теплота на испарение отнима-
ется сначала у самой воды и ее температура понижается до величи-
ны tM. Равенство указанных потоков теплоты и означает, что в таком
процессе I = const. Эти явления имеют место при обработке воздуха
рециркулирующей водой и у смоченного шарика термометра.
Плотность, кг/м3: р = ^3 .
/ + 273
Удельный вес, Н/м3: у = 9,81 • р.
Климатические параметры изменяются во времени, сохраняя
определенные закономерности. Наиболее ярко закономерность из-
менения параметров проявляется, если их иллюстрировать (редни-
ми многолетними значениями.
На рис. 1.16 показан среднемесячный суточный ход температу-
ры наружного воздуха в различных климатических зонах для разных
сезонов года.
Рис. 1.16. Среднемесячный суточный ход температуры наружного воздуха
37
Аналогичные данные для скорости ветра показаны на рис. 1.17,
а для интенсивности солнечной радиации - на рис. 1.18.
V, м/с
Якутск
часы суток
Рис. 1.17. Среднемесячный суточный ход средней скорости ветра
Рис. 1.18. Суточный ход среднемесячной
суммарной солнечной радиации в Москве
для разных месяцев года для горизонталь-
ной поверхности
38
Приведенные данные показывают наличие общей закономерно-
сти суточного хода отдельных параметров для различных периодов
года. На рис. 1.19 показан пример суточного хода результирующей
температуры. Как видно из рис. 1.19, учет длинноволнового излуче-
ния в сторону небосвода приводит к довольно существенному раз-
личию результирующей температуры для вертикальной и горизон-
тальной поверхностей (линия 1 и 2 на рис. 1.19).
Рис. 1.19. Суточный ход результирующей температуры в июле в Москве:
1 - наружная температура; 3 - условная температура для вертикальной
поверхности; 2 - наружная; 4 - условная температура
В целом результирующая и условная температура, как и состав-
ляющие ее параметры, сохраняет общую закономерность суточного
хода в отдельные периоды года.
1.7. Нормирование параметров наружного климата,
понятие их обеспеченности
При определении расчетных параметров наружного климата
наиболее важным представляется сформулировать критерии выбора
расчетных условий.
Целью выбора расчетных условий является определение наи-
большей нагрузки на системы обеспечения микроклимата, которая
складывается из наибольших значений составляющих ее частей. В
39
холодный период года тепловая нагрузка на систему отопления со-
ответствует возможно низкой температуре наружного воздуха и
большей скорости ветра. В расчете не следует учитывать тепловой
поток от солнечной радиации, снижающий тепловую нагрузку. Вла-
госодержание воздуха в этот период физически очень мало.
В теплый период рассчитывается нагрузка на систему охлаж-
дения помещения и осушки воздуха. Наибольшей величине нагрузки
соответствуют возможно высокие значения температуры, влагосо-
держания, теплосодержания наружного воздуха и интенсивности
солнечной радиации. Скорость ветра при этом должна быть возмож-
но минимальной.
Наиболее простым решением задачи выбора расчетных пара-
метров наружного климата было бы использование абсолютных
максимумов или минимумов параметров. Однако такой подход, оче-
видно, нецелесообразен. Во-первых, потому, что абсолютный мак-
симум параметра наблюдается один раз за весь срок измерений и
вероятность его появления впредь очень мала. Поэтому системы,
запроектированные для экстремальных расчетных условий, в реаль-
ный период эксплуатации будут иметь завышенную мощность и
окажутся экономически неоправданными.
Во-вторых, использование такой модели спорно и с физической
точки зрения, так как одновременное появление экстремальных зна-
чений всех параметров невероятно. Более того, возможны такие си-
туации, при которых приближение одного параметра к экстремаль-
ному значению сопровождается изменением другого параметра в
обратном направлении.
Последнее утверждение иллюстрирует рис. 1.20, на котором по-
казана устойчивая обратная корреляция температуры наружного
воздуха и скорости ветра в условиях Москвы.
40
Из сказанного следует, что в качестве расчетных следует при-
нимать значения параметров, меньшие по абсолютной величине,
нежели экстремальные. В отечественной практике сложился такой
подход, когда в качестве критерия выбора расчетного параметра
служит суммарная или разовая вероятная продолжительность на-
рушения расчетных внутренних условий.
При выборе расчетной наружной температуры в холодный
период года И.В. Мачинским были проведены расчеты длительности
остывания здания при понижении температуры ниже расчетного
значения. Установлено, что период снижения температуры воздуха
на 4 °C в кирпичном здании с толщиной стен 0,51 м составляет 152
ч, а для здания с облегченными стенами - 100 ч. Принятый средний
период соответствует 5 суткам.
Так, в качестве расчетной температуры в холодный период года
была обоснована средняя за наиболее холодную пятидневку темпе-
ратура наружного воздуха, которая в несколько измененном виде ис-
пользуется в современных нормах. В 1951 г. Промстройпроект уста-
новил расчетные параметры наружного воздуха в теплый период года
для систем кондиционирования воздуха, разделив их на три класса.
Были приняты такие значения теплосодержания воздуха, суммарное
превышение которых составляло 200 ч в году для установок 2-го
класса (параметры «Б») и 450 ч в году для установок 3-го класса (па-
раметры «А»). Принятый подход сохранен в современных параметрах
(рис. 1.21, а).
Выбор параметров наружного климата, используемых для рас-
чета теплового режима помещений, В.Н. Богословский предложил
проводить на основе коэффициента обеспеченности Ко^. Послед-
няя величина в долях единицы показывает число случаев, в которых
внутренние условия обеспечиваются по отношению к общему числу
случаев (членов статистического ряда параметров).
Использование коэффициента обеспеченности, по сути равного
вероятности обеспечения внутренних условий, позволило уточнить
представление о расчетных условиях. С его помощью удалось свя-
зать уровень комфортности в здании с расчетной температурой на-
ружного воздуха так, как это показано в табл. 1.5.
Использование вероятностного подхода позволило достаточно
просто решить задачу выбора сочетания двух расчетных параметров.
Для этого были привлечены теоремы о вероятности совместного по-
явления двух событий.
В холодный период года два основных параметра - температура
воздуха и скорость ветра - считаются зависимыми событиями. В
41
этом случае 4 определяется по заданному КОб, а скорость ветра V
принимается по уравнению регрессии 4 - К графическая реализация
которого показана на рис. 1.20 (линия 2).
Таблица 1.5
Коэффициент обеспеченности расчетных условий
для холодного периода года
Характеристика основных помещений Коэффициент обеспеченности
Повышенные санитарно-гигиенические требования Около 1,0
Круглосуточное пребывание людей или постоянный технологический режим 0,9
Ограниченное во времени пребывание людей 0,7
Кратковременное пребывание людей 0,5
В теплый период года рассматриваются два независимых собы-
тия - одновременное появление температуры и интенсивности сол-
нечной радиации q. Приняв максимальное значение q (при безоб-
лачном небе), температуру 4 рекомендуется определять по заданно-
му Коб- Для выбора расчетного сочетания параметров наружного
воздуха Л.Б. Успенской была предложена диаграмма /-<р, пример
которой показан на рис. 1.21.
В основу построения диаграммы заложено представление о со-
стоянии наружного воздуха, определяемом сочетанием двух пара-
метров, как о двухмерной статистической величине, которую можно
рассматривать в виде точки на плоскости со случайными координа-
тами температуры 4 и относительной влажности <рн.
На диаграмме по точкам, имеющим одинаковые величины по-
вторяемостей сочетания 4 и <рн, проведены изолинии повторяемо-
стей и накопленной повторяемости.
Задачу выбора расчетного комплекса параметров наружного
воздуха решали А.Я. Креслинь, А.Г. Сотников, А.М. Сизов, Л.Е.
Анапольская, Л.С. Гандин и другие исследователи.
В последней редакции СНиП 23-01-99* «Строительная клима-
тология» собрана основательная база данных, прежде всего по рас-
четным значениям температуры наружного воздуха. В частности,
приводятся значения 4 средней за наиболее холодные сутки и наи-
более холодную пятидневку с обеспеченностью 0,98 и 0,92, предна-
значенные для теплотехнического расчета ограждений и расчета
мощности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воз-
духа в холодное время.
42
Рис. 1.21. Диаграмма Г-чр для условий Москвы
Основные правила для выбора расчетных параметров наружного
климата по СНиП 23-01-99* можно свести к следующему:
- расчетное барометрическое давление В, Па - по табл. 2, ко-
лонка 2;
- для теплого периода года (ТП) - по табл. 2: температура 4,
°C, наружного воздуха по параметрам «А» и «Б» (соответственно
колонка 3 с обеспеченностью 0,95 и колонка 4 с обеспеченностью
0,98) и его удельная энтальпия 7Н, кДж/кг (также по параметрам
43
«А» и «Б» - по картам удельной энтальпии); скорость ветра, м/с
(колонка 13), но не менее 1 м/с, и средняя суточная амплитуда
температуры наружного воздуха AtH, °C (колонка 7);
- для холодного периода года (ХП) по параметру «Б» по табл.
1: температура tn, °C (колонка 5, т.е. средняя температура наиболее
холодной пятидневки 4s обеспеченностью 0,92), и относительная
влажность фн, % (колонка 16, т.е. средняя в 15 часов для наиболее
холодного месяца), наружного воздуха; скорость ветра (колонка 19,
т.е. максимальная из средних по румбам за январь), м/с. Дополни-
тельно также определяется температура по параметру «А» (колонка
6 с обеспеченностью 0,94), используемая только для расчета венти-
ляции сельскохозяйственных зданий. Наглядно принцип выбора
расчетных параметров наружного климата показан на рис. 1.21, а.
Рис. 1.21, а. Схема годового хода среднесуточной температуры и энталь-
пии наружного воздуха и выбор параметров «А» и «Б»
Для переходного периода (ПП) в любом районе строительства
принимаются температура +10 °C и удельная энтальпия 26,5 кДж/кг
по параметру «А».
Для расчета систем вентиляции (В) в ТП и ПП применяются
параметры «А», а в ХП - параметры «Б». Параметры «А» в ХП ис-
пользуются сейчас только при проектировании вентиляции сельско-
44
хозяйственных зданий. Для расчета систем кондиционирования воз-
духа в ТП и ХП применяются параметры «Б». Температура 4s, т.е.
по параметру «Б» в ХП, используется также для определения мощ-
ности системы отопления.
1.8. Закономерности суточного и годового изменения
параметров наружного климата
Расчетные наружные условия моделируют искусственную си-
ноптическую ситуацию для выбора установочных параметров зда-
ния и систем обеспечения микроклимата.
Эксплуатационные условия должны по возможности отражать
близкое к реальному изменение параметров наружного климата во
времени года. Именно год является основным временным элемен-
том, в рамках которого проявляются систематические режимы
функционирования здания.
Рассмотрение годового режима работы систем обеспечения
микроклимата необходимо прежде всего для оценки их энергетиче-
ских затрат.
Среди многообразия моделей представления годового измене-
ния наружных параметров выделим две группы.
Первый вид моделей строится на описании годового хода пара-
метров, средних за месяц. Модели представляются в табличной
форме или описывается аналитически. Разновидностью подобной
модели наружного климата является так называемый представи-
тельный год, использование которого получило широкое распро-
странение за рубежом. Распределенность параметров климата в рам-
ках представительного года учитывается определенными градация-
ми параметров - при ясном небе или различных баллах облачности.
Второй вид представления климатической информации исполь-
зует обработку срочных измерений в виде функций распределения
параметра. Функции распределения задаются в табличной форме, в
виде графиков или аппроксимируются аналитическими зависимо-
стями. Такой вид представления климата встречает определенные
трудности. Во-первых, требуется сложная обработка метеоданных,
во-вторых, возникает трудность принципиального характера, кото-
рая состоит в необходимости оперировать двух-трехмерными рас-
пределениями параметров. При этом неизбежно привлечение гро-
моздкого математического аппарата, который к тому же строится на
существенных допущениях в постановке задачи. Вместе с тем вто-
45
рой вид модели климата имеет несомненное преимущество перед
первым, состоящее в том, что в информации о параметре заложен
весь диапазон его изменения.
Годовой ход параметра может быть построен для определенного
часа суток, или в среднем за часть суток, или в среднем за сутки. С
иллюстративной точки зрение наиболее представительными явля-
ются среднесуточные значения параметров.
На рис. 1.22 показан годовой ход среднесуточной и максималь-
ной суточной температуры наружного воздуха в трех различных
климатических зонах. Как видно из рис. 1.22, закономерность годо-
вого изменения температуры носит близкий к гармоническому ха-
рактер, общий для различных климатических зон.
Рис. 1.22. Годовой ход среднесуточной и максимальной суточной
температуры наружного воздуха в трех различных климатических зонах
Годовой ход средней скорости ветра, показанный на рис. 1.23,
не носит выраженного характера. Приведенный на рис. 1.24 годовой
ход интенсивности прямой и диффузной солнечной радиации для
вертикальных поверхностей некоторых ориентаций и горизонталь-
ной поверхности в Москве, подчиняется определенной закономер-
ности, соответствующей теоретическим представлениям.
46
Рис. 1.23. Годовой ход средней скорости ветра
Рис. 1.24. Годовой ход интенсивности прямой и диффузной солнечной
радиации для вертикальных поверхностей некоторых ориентации
и горизонтальной поверхности в Москве
Так, для солнечной радиации характерно резкое возрастание ин-
тенсивности от зимних к летним месяцам. Вполне закономерна дву-
горбая кривая изменения интенсивности прямой радиации, падающей
на южную ориентацию. Вместе с тем местные условия облачности
искажают теоретические закономерности изменения солнечной ра-
диации, о чем свидетельствует некоторая асимметрия годового хода.
47
На рис. 1.25 приведен годовой ход максимальной и средней за
сутки энтальпии, а на рис. 1.26 - среднесуточного влагосодержания
наружного воздуха, параметров, во многом определяющих режим
обработки и расход энергоресурсов на обработку воздуха в СВ
и СКВ.
Рис. 1.25. Годовой ход максимального и среднесуточного теплосодержания
наружного воздуха
Как видно из рис. 1.25 Й 1.26, оба параметра наружного воздуха
имеют четкую закономерность годового хода. Причем для энталь-
пии эта закономерность близка к гармонической, а для влагосодер-
жания характерно уплощение кривых в зимние месяцы года, связан-
ное с малой влагоемкостью воздуха при низкой температуре.
48
Рис. 1.26. Годовой ход среднесуточного влагосодержания наружного
воздуха
На рис. 1.26 для Якутска эта уплощенность вполне закономерно
развита больше, чем, например, для Ташкента.
Приведенные выше характеристики наружного климата получе-
ны по средрим многолетним данным. Известно, что в отдельные
годы для разных сроков или среднесуточных величин возможно по-
явление самых разнообразных значений того или иного параметра
наружного климата, т.е. имеет место междугодовое изменение кли-
матических параметров.
Распределенность параметров климата по годам вызывает меж-
дугодовые колебания энергопотребления, что следует учитывать при
расчете энергетических показателей систем обеспечения микрокли-
мата. Кроме того, при учете распределенности параметров, прежде
всего характеризующих состояние наружного воздуха, появляется
возможность выявления и количественной оценки некоторых режи-
мов работы систем, которые возможны только в периоды года, близ-
кие к расчетным.
49
Показателем, связывающим величину параметра климата с час-
тотой ее появления в принятом к рассмотрению ряду лет, является
коэффициент обеспеченности равный отношению
N
(1-17)
где п - число лет (случаев), когда параметр отклоняется от заданных
значений (например, превышает их);
7V - число лет (случаев), принятых к рассмотрению.
Зависимость численных значений параметров климата от коэф-
фициента обеспеченности имеет вид функции распределения F(y),
В качестве примера на рис. 1.27 приведены функции распреде-
ления среднемесячной температуры наружного воздуха в Москве, а
на рис. 1.28 - годовой ход температуры с различной обеспеченно-
стью выше или ниже заданного значения.
Рис. 1.27. Фу]
:««и
я распределения
среднемесячной температуры на-
Рис. 1.28. Годовой ход температу-
ры с одинаковой обеспеченностью
ружного воздуха в Москве
50
Представление годового хода параметров с одинаковой обеспе-
ченностью во всех месяцах носит иллюстративный характер, так как
вероятность появления такого года близка к 0. Вместе с тем пред-
ставление годового хода заданной обеспеченности позволяет систе-
матизировать междугодовую изменчивость параметров.
Вид аналогичных характеристик обеспеченности интенсивности
солнечной радиации показывает, что распределенность интенсивно-
сти солнечной радиации по годам не нарушает общей закономерно-
сти годового хода параметра, проявляющейся при средних много-
летних данных = 0,5. Однако некоторое искажение кривых годо-
вого хода все-таки имеется.
С помощью графиков, подобных рис, 1.27, можно определять
значение расчетной температуры или энтальпии с любой заданной
обеспеченностью. Для среднесуточных температур в течение года
можно построить кривую, показанную на рис. 1.29.
Коэффициент обеспеченности
Рис. 1.29. Функция распределения относительных среднесуточных
наружных температур
По оси ординат здесь отложено относительное отклонение те-
кущей температуры наружного воздуха t от ее среднегодового зна-
чения =(^-'^Ср.Год)/ог, где о, - среднее квадратическое отклоне-
ние t, С хорошей точностью функцию распределения t можно опи-
сать нормальным законом, поэтому вероятность того, что t0Til будет
меньше расчетной величины Zoth.p, описывается следующей форму-
лой (О.Д. Самарин), по которой и построен график на рис. 1.29:
51
(1.18)
- так называемая функция ошибок,
значения которой приводятся в таблицах (см. также рис. 1.29). Поэто-
му если задаться требуемым значением по формуле (1.17), по гра-
фику можно найти требуемую величину откуда t = /отно + /сргод.
С достаточным приближением а = (гм тах - rMmin )/2, где гМЛ1ах и rM.min -
соответственно температуры наиболее жаркого и наиболее холодного
месяца в районе строительства. То есть фактически о - это амплитуда
годового хода среднемесячных температур. Как и ^Р.год, значения
и /млшп приводятся в табл. 3 СНиП 23-01-99*.
Интересно отметить, что при вычислении средней температуры
наиболее холодной пятидневки в числитель формулы (1.17) нужно
подставлять не 2,5 суток, как могло бы показаться (половина пяти-
дневки), а все 5 сут целиком, потому что на самом деле ситуация,
когда t < tHs9 возможна не только в течение наиболее холодной пяти-
дневки, но и в некоторые другие периоды, хотя и реже. Следова-
тельно, тогда /Соб = 5/365 = 0,0137, t0Ta = -2,2, откуда
Zh5 = Гср год -2,2о. Например, для Москвы Гср.год = +4,1° по СНиП 23-
01-99* (издание 2004 г.), о = (18,1-(-10,2)у2 = 14,15°, тогда
Гн5 = 4,1-2,2 44,15 = -27,03 . На самом деле по данным того же
СНиПа в Москве ГН5 - -28°, т.е. рассмотренный приближенный ме-
тод имеет хорошую точность.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое микроклимат помещения?
2. Какие факторы микроклимата являются наиболее существен-
ными?
3. Что такое комфортная окружающая среда?
4. Какими параметрами оцениваются тепловые условия и состав
воздуха в помещении?
5. Что такое оптимальные внутренние условия?
52
6. Назовите пассивные и активные факторы формирования мик-
роклимата помещения.
7. Чем отличаются технологические требования к микроклимату
от комфортно-технологических?
8. Каковы особенности формирования микроклимата в зданиях
в современных условиях?
9. Перечислите процессы формирования микроклимата поме-
щения.
10. Что такое возмущающие и регулирующие воздействия на
микроклимат помещения?
11. Что такое метаболические процессы, протекающие в орга-
низме человека?
12. Как принято подразделять виды работы по степени тяжести?
13. В чем состоит принцип терморегуляции организма человека?
14. Сформулируйте особенности восприятия организмом чело-
века лучистых потоков теплоты.
15. В чем состоит физиологическое воздействие на организм че-
ловека влажности воздуха?
16. Какова роль подвижности воздуха в создании теплового
комфорта в помещении?
17. Какие факторы определяют состояние воздушного комфорта
в помещении?
18. Укажите основные причины нарушения воздушного ком-
форта.
19. Назовите наиболее распространенные вредные вещества, за-
грязняющие воздух промышленных помещений, и характер их ток-
сикологического действия.
20. Каким образом подразделяются запахи в помещении?
21. На чем базируется гигиеническое обоснование воздухообме-
на в помещении?
22. Какова санитарная норма наружного воздуха?
23. Какие ионы оказывают благотворное воздействие на орга-
низм человека?
24. Что такое радиационная температура и температура поме-
щения?
25. Каким образом можно установить комфортное сочетание
температуры помещения, воздуха и радиационной температуры?
26. В чем состоят основные положения метода П.О. Фангера
оценки теплоощущения человеком?
27. Каковы технологические требования к микроклимату поме-
щения, в котором находятся гигроскопические материалы?
53
28. Назовите примеры технологических процессов, на которые
оказывает влияние микроклимат помещения.
29. В каком виде проявляется взаимодействие здания и наруж-
ной среды?
30. Перечислите параметры наружного климата.
31. Перечислите параметры состояния влажного воздуха и назо-
вите их физический смысл.
32. Как осуществляется аналитический расчет параметров со-
стояния влажного воздуха?
33. Перечислите метеоэлементы, наблюдаемые непосредственно
в метеосети.
34. Что такое профильный угол, какие величины его определя-
ют?
35. Ог
ШШ
яте закономерности суточного изменения отдельных
параметров наружного климата.
36. Для чего предназначены расчетные параметры наружного
климата?
37. Каким образом определено расчетное значение наружной
температуры в ХП?
38. Какой подход принят в действующих нормах при выборе
расчетных параметров наружного воздуха в ТП?
39. Что показывает коэффициент обеспеченности?
40. Что такое Г-ф диаграмма?
41. Какие задачи ставятся при рассмотрении эксплуатационных
климатических условий?
42. Охарактеризуйте два способа представления годового изме-
нения параметров наружного климата.
43. Опишите закономерности годового изменения параметров
наружного климата по средним многолетним данным.
44. Как приближенно определить расчетную температуру на-
ружного воздуха с любой заданной обеспеченностью?
2. Тепловая нагрузка на системы
отопления-охлаждения и определение
воздухообмена в помещении
2.1. Принципы определения тепловой мощности
систем отопления-охлаждения
Под тепловой нагрузкой понимается сумма тепловых потоков,
поступающих в помещение, которую должна нейтрализовать систе-
ма, чтобы обеспечить в пределах рабочей зоны помещения в течение
рабочего времени заданную (рабочую) температуру воздуха.
Принято считать, что тепловая'нагрузка равна теплоизбыткам
или теплопотерям в виде алгебраической суммы тепловых пото-
ков, поступающих в данный момент времени в помещение. Однако
следует иметь в виду, что возмущающие и регулирующие тепловые
воздействия в силу их разной природы и из-за разных функций из-
менения во времени суток по-разному воздействуют на формирова-
ние температуры воздуха. Причем из-за нестационарности процес-
сов имеет место запаздывание реакции температуры воздуха на то
или иное тепловое воздействие.
Поэтому тепловую нагрузку более правильно находить исходя
из равенства двух функций
шшт
'в 001 Чй2
где rB(T)j - функция изменения температуры воздуха от суммы воз-
мущающих тепловых воздействий (т);
^в(т)2- функция изменения температуры воздуха от регули-
рующего теплового воздействия бс(т):
'в(т)2
Для нейтрализации возмущающих воздействий на микроклимат
системы обеспечения подают в помещение потоки теплоты, влаги и
свежего воздуха. Принимая, что все тепловые потоки направлены
внутрь помещения, можно определить знак того или иного потока.
Так, поток со знаком «плюс» соответствует теплопоступлению, а
со знаком «минус» - теплопотерям помещения. Нагрузка на систему
55
отопления-охлаждения равна алгебраической сумме тепловых пото-
ков, поступающих в помещение с учетом знака. Поэтому нагрузка
на систему со знаком «плюс» означает потребность помещения в
холоде, а нагрузка со знаком «минус» - потребность помещения в
теплоте. В свою очередь, нагрузка на систему определяет ее требуе-
мую мощность (тепловую, холодильную, электрическую).
2.2. Составляющие тепловой нагрузки
на системы отопления и охлаждения
Тепловая нагрузка на системы отопления-охлаждения складыва-
ется из тепловых потоков, поступающих через наружные огражде-
ния и от внутренних источников. Через наружные ограждения про-
ходят:
- трансмиссионный тепловой поток за счет разности наружной
и внутренней температуры;
- тепловой поток с инфильтрационным воздухом, проходящим
через окна;
- теплопоступления от солнечной радиации.
Трансмиссионный тепловой поток,
проходящий через наружные ограждения
С точки зрения теплопередачи наружные ограждения можно
разделить на две группы: массивные непрозрачные и немассивные
светопрозрачные. Из-за изменения во времени граничных условий
процессы передачи тепла через ограждения носят нестационарный
характер. С учетом суточной периодичности изменения параметров
наружного климата можно говорить о суточном ходе тепловых по-
токов, проходящих через наружные ограждения. При этом величину
теплового потока можно представить в виде суммы:
е(т)=а+де(т), (2.1)
где Qo - среднесуточная величина потока, Вт; Ag(x) - изменяющее-
ся во времени суток отклонение теплового потока от среднесуточно-
го, Вт.
Массивные ограждения обладают способностью гасить колеба-
ния теплового потока, проходящего через его толщу из наружной
среды. При гармоническом изменении температуры наружной сре-
56
ды отклонение теплового потока на внутренней поверхности ограж-
дения от среднесуточного значения равно:
да=да /
(2.2)
где и - коэффициент затухания колебаний теплового потока;
А0Н - отклонение теплового потока на наружной поверхности от
среднесуточного значения.
На рис. 2.1 показаны результаты расчета коэффициента затуха-
ния тепловых потоков, проходящих через некоторые наружные ог-
раждения. Как видно из рис. 2.1, даже при минимальном значении
толщины ограждений величина затухания оказывается больше 10.
Для современных многослойных конструкций наружных стен с эф-
фективными теплоизоляционными материалами в условиях дейст-
вующих норм теплозащиты показатель тепловой инерции D состав-
ляет более 5. Из рис. 2.1 видно, что затухание при такой величине D
велико для стен, а тем более для перекрытий.
Рис. 2.1. Коэффициент затухания тепловых потоков
в массивных отраждениях
57
Сказанное свидетельствует о том, что суточное отклонение теп-
ловых трансмиссионных тепловых потоков, проходящих через мас-
сивные ограждения, практически неощутимо и его не следует учи-
тывать в расчетах. Замечание справедливо тем более, что величина
суточного колебания трансмиссионного теплового потока на на-
ружной поверхности мала по сравнению с другими составляющими
тепловой нагрузки на системы отопления-охлаждения помещения.
Подводя итог сказанному, приведем формулу для расчета
трансмиссионного теплового потока, проходящего через массив-
ные ограждения Qm в Вт:
0ГП = Д (^у.0 ~ )» (2*3)
где кх - коэффициент теплопередачи z-го массивного ограждения,
Вт/(м2-К);
Д- площадь ограждения, м2;
Гу о - среднесуточная условная температура по формуле (3.3).
Лучепрозрачные ограждения имеют малую массу и теплоем-
кость, поэтому нестационарностью процесса переноса теплоты в них
можно пренебречь. Это обстоятельство подтверждено исследова-
ниями, проведенными в НИИСФ, которые показали расхождение
величины температуры поверхности стекла с учетом нестационар-
ное™ и без него всего 3-5%.
Комплексный процесс переноса теплоты и воздуха через конст-
рукцию окна обычно расчленяют на элементарные. Наибольший
вклад в величину общего сопротивления теплопередаче окна Ro вно-
сят сопротивление теплообмену на внутренней поверхности RB и
воздушной прослойки в межстекольном пространстве Лвп. Расче-
ты показывают, что значения сопротивления теплопередаче окон
относительно постоянны. Для обычного остекления в спаренном
переплете среднее значение Rq = 0,335 м2-К/Вт, причем RB = 0,094
(28 %), аЯвп= 0,172 (51 %).
Для конструкций окон с стеклопакетами сопротивление тепло-
передаче больше, чем у обычного остекления. В табл, 2.1 приведе-
ны данные НИИСФ о результатах испытаний стеклопакетов, изго-
товленных на Борском стекольном заводе.
Существенно повысить сопротивление теплопередаче окон
можно, используя специальные теплоотражающие стекла с заполне-
нием межстекольного пространства инертным газом.
58
Таблица 2.1
Сопротивление теплопередаче по данным испытаний стеклопакетов
Конструкция стеклопакета Расстояние ме- жду стеклами, мм Сопротивление теплопередаче, м2-К/Вт, для стеклопакетов, за- полненных
воздухом аргоном
Однокамерный 4,6,9 0,32 0,34
Двухкамерный 4,6,9 12,15,18,20 0,47 0,53 0,49 0,55
В пределах оконного откоса возникает двухмерное распределе-
ние температуры и соответственно увеличивается (по сравнению с
гладью стены) тепловой поток, проходящий через откос. Этот фак-
тор учитывают с помощью приведенного сопротивления теплопере-
даче окон, которое оказывается меньше сопротивления теплопере-
даче конструкции на 11% для обычных окон со спаренными пере-
плетами и на 4% - для окон с раздельными переплетами.
Таким образом, тепловой поток за счет теплопередачи Qm, Вт,
проходящий через окно, равен:
£?тп ^2^2 (^нар О’ (2.4)
Л
где к2 - коэффициент теплопередачи окон, Вт/(м -К);
А2 - площадь окна, м2;
/^-температура наружной среды по формуле (1.3).
В инженерных методах расчета вместо температуры помещения
tn в формулу (2.4) подставляют температуру воздуха /в, а вместо
наружной температуры - температуру наружного воздуха /н
(обычно ?н5 - среднюю температуру наиболее холодной пятидневки
обеспеченностью 0.92 - см. п.2.7). Тогда трансмиссионные теплопо-
тери через строительные конструкции gTn складываются из основ-
ных g0 и добавочных теплопотерь (учитываются добавками р>) и
рассчитываются как сумма теплопотерь через все ограждения по-
мещения по формулам, Вт:
Qo.i ~ kiA (Aj ** *н5 )wz >
(2.4а)
59
р/ - коэффициент, учитывающий добавочные теплопотери в до-
лях от основных теплопотерь (см. ниже);
и, - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения
наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к
наружному воздуху (СНиП 23-02-2003).
Примечание. Если в смежном более холодном помещении тем-
пература воздуха ниже, чем в рассчитываемом, на 4° и более, то
обязателен расчет теплопотерь через внутреннее ограждение,
разделяющее эти помещения. При этом tH принимают равной тем-
пературе воздуха в более холодном помещении. При расчете тепло-
потеръ в более холодном помещении эти же теплопотери учиты-
ваются со знаком «минус», т.е. как теплопоступления, и вычита-
ются из общей суммы теплопотерь более холодного помещения.
Правила обмера поверхности
ограждающей конструкции помещения
Площадь наружных и внутренних ограждений при расчете тепло-
потерь вычисляют с точностью до 0,01 м2, используя размеры ограж-
дений в метрах, снятые с точностью 0,1 м с планов и разрезов здания.
Наружные стены (НС)
Длину наружных стен угловых помещений принимают по
внешней поверхности от наружных углов до осей внутренних стен.
Длину наружных стен рядовых (не угловых) помещений прини-
мают по расстоянию между осями внутренних стен.
Высоту наружных стен по разрезам здания - на первом этаже в
зависимости от конструкции пола: от внешней поверхности пола,
расположенного непосредственно на грунте, или от нижнего уровня
подготовки под конструкцию пола на лагах или от нижней поверх-
ности перекрытия над холодным пространством (подпольем, подва-
лом, проездом) до уровня чистого пола второго этажа;
- на средних этажах - от поверхности пола этажа до поверхно-
сти пола вышерасположенного этажа;
- на верхнем этаже - от поверхности пола до верха конструкции
чердачного перекрытия или бесчердачного покрытия (в месте пере-
сечения с внутренней поверхностью наружной стены).
Внутренние стены (ВС)
Для вычисления площади поверхности внутренних стен по пла-
нам измеряют: длину стен от внутренней поверхности наружных стен
до осей внутренних стен или между осями внутренних стен. По разре-
зам - высоту стен от поверхности пола до поверхности потолка.
60
Окна, двери, ворота
Площадь окон, дверей, ворот и световых фонарей определяют
по наименьшим размерам строительных проемов.
Перекрытия и полы над холодным пространством
Площадь потолков (ПТ) и полов (ПЛ) над холодным простран-
ством измеряют между осями внутренних стен и внутренней по-
верхностью наружных стен.
Полы по грунту
Неутепленные полы по грунту и подземные части наружных
стен разбиваются на зоны: три ленточные, параллельные наружным
стенам и имеющие расчетную ширину 2 м (ПЛ I, ПЛ II, ПЛ Ш), и
четвертая (ПЛ IV) - оставшаяся часть пола в центре здания. Расчет
сопротивлений теплопередаче полов по грунту приведен в приложе-
нии (п. 5.1).
Примечание. Теплопотери через часть наружных стен отап-
ливаемых цокольных или подвальных помещений определяют по
площади условных зон шириной 2 м, отсчитываемых от поверхно-
сти земли. Теплопотери через пол этих помещений находят также
по площади последующих условных зон, причем пол рассматривают
как продолжение подземной части наружных стен.
Графически правила обмера ограждений представлены на ниже-
следующих схемах (рис. 2.1, а).
Учет добавочных теплопотерь
Добавочные теплопотери через ограждающие конструкции
помещений, зданий и сооружений определяют в долях от основных
теплопотерь.
Добавку на ориентацию ограждения по сторонам горизонта
принимают для всех наружных вертикальных и наклонных (в про-
екции на вертикаль) ограждений, обращенных:
- на север, восток, северо-восток и северо-запад в размере
Р = 0,1;
- на запад и юго-восток р - 0,05 от основных теплопотерь че-
рез эти ограждения.
Схематически добавки на ориентацию можно представить себе
следующим образом (рис. 2.1, б).
Добавка для вертикальных ограждений (наружные стены, окна и
двери) в угловых помещениях общественных, административно-
бытовых и производственных зданий и сооружений принимается
в размере 0,05 основных теплопотерь, если хотя бы одно ограждение
61
По плану:
Рис. 2.1, а. Схемы обмера ограждений при расчете
трансмиссионных теплопотерь
62
ориентировано на север, восток, северо-восток или северо-запад, т.е.
если есть хотя бы одна добавка на ориентацию, равная 0,1. В про-
тивном случае добавку на наличие угла нужно принимать равной
0,1. Таким образом, сумма добавок на ориентацию и на наличие угла
не может превышать 0,15.
Рис. 2.1, б. Схема определения добавок к основным теплопотерям
на ориентацию ограждения
Примечания:
L В угловых помещениях жилых и тому подобных зданий, на-
пример, в спальнях детских учреждений, повышают расчетную
температуру внутреннего воздуха на 2°, а добавку 0,05 или 0,1 не
вводят.
2. Угловыми считаются помещения, имеющие две и более на-
ружные стены разной ориентации, причем необязательно смеж-
ные, но и противоположные.
Добавку Р на врывание в здания и сооружения холодного воз-
духа через входы, не оборудованные воздушными и воздушно-
тепловыми завесами, принимают - при высоте здания Н, м, в размере:
- для одинарных дверей.......................0,2277;
- для двойных дверей с тамбуром между ними...0,27/7;
- то же, но без тамбура......................0,3477;
- при наличии двух тамбуров между тройными дверями. 0,2/7;
- для наружных ворот, не оборудованных воздушными завеса-
ми, и при отсутствии тамбура р = 3,0;
- то же, но при наличии тамбура р = 1,0
от основных теплопотерь через эти двери или ворота.
63
Примечание. Добавочные теплопотери для запасных или лет-
них дверей и ворот (например, балконных дверей) не учитывают.
Добавка на высоту помещения. Для помещений обществен**
ных зданий (кроме лестничных клеток) высотой более 4 м суммар-
ные теплопотери (с учетом добавок) увеличивают на 2% на каждый
метр высоты сверх 4 м, но не более чем на 15%.
Добавку на проветривание холодного подполья зданий в
районах вечной мерзлоты при ?н.б < -40 °C - принимают в размере
0,05 основных теплопотерь через полы помещения на первом этаже
здания.
Тепловой поток с инфильтрационным воздухом
Помимо трансмиссионного теплового потока через окна прохо-
дит тепловой поток, обусловленный инфильтрующимся наружным
воздухом. Последняя величина QK равна:
б» = - О > Вт,
□,о
(2.5)
где помимо известных величин Лок; гн; /в, А3 - так называемый эко-
номайзерный коэффициент, учитывающий частичный подогрев воз-
духа при ее просачивании и равный 0,8 для двойного остекления в
раздельных переплетах, 0,7 для тройного остекления, а в остальных
случаях 1. Величина GH в формуле (2.5) - расход инфильтрационно-
го воздуха, условно отнесенный к единице площади окна, кг/(м2»ч).
Для определения величины расхода Си следует рассмотреть ос-
новные положения аэродинак
здания.
В результате воздействия на здание естественных сил - гравита-
ционного и ветрового давления на вне:
< поверхностях здания -
возникает определенное распределение давления воздуха. Гравита-
ционное (аэростатическое) давление РТ появляется за счет разности
объемного веса наружного (ун) и внутреннего воздуха (ув), причем в
нижней части здания это давление больше, чем внутри, а в верхней
части - меньше. Действие ветра приводит к тому, что на наветрен-
ной стене создается избыточное давление (Рв), а на заветренной в
зоне вихреобразования - разрежение (-Рв). Оба'природных фактора
действуют совместно.
На наружной поверхности здания имеет место распределение
(рис. 2.3) избыточного давления наружного воздуха, Па:
64
Р^Ргл+Р..,-
(2-6)
Известен ряд методов представления эпюр давления Рь в основу
которых положен анализ одного и того же физического процесса, а
различие методов состоит в выборе уровня отсчета давления. Так, по
методу нейтральной зоны за нулевое принимается давление внутри
помещения. В этом случае разность давления снаружи и внутри
представляется эпюрой давления снаружи. По методу фиктивных
давлений В.В. Батурина, эпюры давления построены относительно
условного нуля, принятого на поверхности земли. В.П. Титов пред-
ложил строить эпюры давления относительно условного нуля, рас-
положенного в точке с минимальным давлением, которая находится
снаружи вверху здания (см. рис. 2.2). Построенные по этому способу
эпюры имеют стандартный вид для различных зданий. В такой мо-
дели
ри=(я-А)(Гн-Г.), Па;
(2.7)
Рв=^(С„-С3)рн^,Па, (2.8)
где Н- высота здания, м;
hj - высота рассматриваемого уровня, м;
Си и С3 - аэродинамические коэффициенты для рассматриваемого
уровня и для заветренного фасада. Их значения приводятся в СНиП
2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». Для зданий в форме прямо-
угольного параллелепипеда среднее значение Сн = +0,8; С3 = -0,6.
Рн ~ плотность наружного воздуха, кг/м3;
w - скорость ветра, м/с;
кД - так называемый к
(Ccliiin
изменение скорости ветра с высотой, поскольку указываемая в
СНиП 23-01-99* величина w0 относится к высоте Юм над поверхно-
стью земли. Значения кД зависят от высоты здания и характера за-
стройки и приводятся в СНиП 2.01.07-85*. Для невысоких зданий
обычное значение кд составляет около 0,8.
По методу внутренних избыточных давлений П.Н. Каменева, за
нулевое принимается давление снаружи, а давление внутри пред-
ставляется как эпюра разности давлений. Степень перехода динами-
ческого давления потока воздуха, движущегося под определенным
3 Основы обеспечения микроклимата зданий
65
углом к фасаду здания, в статическое давление на наветренной и за-
ветренной сторонах здания определяют с помощью аэродинамиче-
ских коэффициентов. Многочисленные исследования позволили
уточнить характер движения потоков вокруг здания. Под воздейст-
вием набегающего потока перед зданием образуются вихри, пере-
мещающиеся от центра к торцам, где происходит срыв потока, ана-
логичный срыву с верхней кромки здания. Скорость движения вих-
рей вдоль здания составляет 0,4-0,45 от скорости набегающего по-
тока воздуха, а в месте срыва потоков с торцов здания - 1,2-1,25.
Помимо фронтального вихреобразования на фасаде возникает вер-
тикальный вихрь, выравнивающий давление по вертикали здания. За
заветренной стороной здания формируется вихревая зона (аэроди-
намический след), состоящая из двух частей, в которых направле-
ния движения воздуха различны. Причем протяженность первой
вихревой зоны простирается от заветренного фасада на расстояние
0,5-1,0 высоты здания.
избыточное ветровое давление
Рис. 2.2. Эпюра разности давления воздуха в здании
со сбалансированной вентиляцией
В застройке трансформируется потокораспределение, причем
при разрыве между равноэтажными зданиями более 4,57/ можно
пренебречь взаимным влиянием на размеры зоны аэродинамическо-
го следа. Это позволяет во многих случаях рассматривать аэродина-
мику здания как отдельно стоящего.
66
Рассчитывая значение Рв, следует учитывать изменение скоро-
сти ветра м/с, по высоте:
(2.9)
Показатель п зависит от скорости ветра wQ:
п = 0,825 ехр (-0,24 w0 ).
(2.10)
Отношение wA/wo и представляет собой коэффициент кл.
Если принимать скорость ветра на уровне кровли здания, т.е.
на высоте здания Я, в этом случае значения Сн и С3 мало зависят от
Я. Осреднение данных многочисленных натурных и эксперимен-
тальных исследований на модели дает значения разности аэродина-
мических коэффициентов на наветренной и заветренной сторонах
зданий с учетом величины Лд, приведенные в табл. 2.2. Среднее зна-
чение разности в целом для зданий типа башни составляет 1,13, а
для здания типа пластины - 0,98.
Таблица 2.2
Средние значения разности (Сн - С3)Агд
Тип здания Значения (Сн - С3)ЛЛ для части здания
нижней трети средней трети верхней трети
Башня 0,94 1,13 1,31
Пластина 0,9 0,98 1,06
В простейшем случае сбалансированного притока и вытяжки в
здании и при одинаковом воздухопроницании обоих фасадов раз-
ность давлений, Па, снаружи и внутри здания равна (с использова-
нием величин, приведенных в СНиП):
Лт»-Тв) + О,25рни>о2(Сн-С3)кп. (2.11)
Более корректно распределение давления по фасадам здания
вычисляют на основе решения системы балансовых уравнений по-
з*
67
мещений (В.П. Титов). Подробнее об этом см. в п. 5.2 приложения,
где также приведен пример расчета инфильтрационных теплопо-
терь.
С обеих сторон неповрежденных ограждений за счет разности
давления воздух проникает или фильтруется через щелевидные от-
верстия (открытые стыки панелей, неплотности по периметру окон и
дверей) и через поверхностные отверстия в виде микропор, сравни-
тельно равномерно распределенных по площади стен и перекрытий.
В инженерных методах расчета пользуются формулой расчета
удельного расхода воздуха, проходящего через неплотности окон, в
кг/(ч-м2):
(2.12)
где 7?и ок - сопротивление окон воздуопроницанию, м2-ч/кг;
АР - разность давления воздуха снаружи и внутри здания по
формуле (2.11), Па (дат
и ? и
вопрос рассматривается также в курсе
«Теплофизика зданий»).
Результаты расчета трансмиссионных и инфильтрационных те-
плопотерь обычно записывают в виде таблицы - (табл. 2.2 а).
Таблица 2.2а
Форма таблицы для записи расчета теплопотерь помещений здания
№ поме- ще- ния Наиме- кова- ние поме- щения и /в, °C Характеристика ограждения Расчет- ная раз- ность темпера- туры, (4-*н5>
Наиме- но- вание Ориен- тация Раз- меры, м Площадь, Коэффици- ент тепло- передачи к, Вт/(м2-К)
1 2 3 4 5 6 7 8
Окончание табл. 2.2а
Основ- ные тепло- потери Со, Вт Добавочные теплопотери Теплопотери
На ори- ента- цию Прочие Коэффи- циент 1+SP От теп- лопере- дачи, Q-rrn Вт При ин- фильтра- ции, би, Вт Общие, бот, Вт
9 10 11 12 13 14 “1 15
68
Примеры расчета теплопотерь и заполнения табл. 2.2а для не-
которых сложных помещений приведены в приложении (п. 5.1).
2.3. Теплопосгупления от солнечной радиации
через светопрозрачные ограждения
Светопрозрачные ограждения (окна, витрины, фонари) значи-
тельно влияют на формирование не только светового, но и теплово-
го микроклимата в здании. В теплый период года окна передают
большие потоки теплоты от солнечной радиации, а это - нагрузка
на систему охлаждения или существенный перегрев помещения.
Обычное оконное стекло хорошо пропускает значительную часть
спектра солнечной радиации (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Проницаемость оконного стекла для световых лучей
Помимо проникающего потока теплоты в помещение попадает
также часть теплоты, поглощенной стеклом. Этот поток, связанный с
разогревом поверхности стекла, является конвективно-радиационным.
Коротковолновая солнечная радиация, проникающая через
окна, попадая на внутренние поверхности, поглощается ими и на-
гревает их. Часть воспринятой теплоты передается лучистым путем
(порядка 90%) от нагретых поверхностей другим, вызывая их разо-
грев. В конечном итоге перемещенная теплота поступает от поверх-
ностей к воздуху, повышая его температуру. При этом длинновол-
новая тепловая энергия не передается наружу, а поглощается почти
полностью остеклением. Описанная схема движения тепловых пото-
ков называется парниковым эффектом. Корректный расчет теплопо-
ступлений от солнечной радиации важен из-за существенной доли
этой составляющей тепловой нагрузки.
69
Попадая на внешнюю поверхность стекла, часть лучистого по-
тока отражается, другая - поглощается и рассеивается в толще
стекла, оставшийся поток проникает и достигает внутренней по-
верхности стекла. Луч солнца, падающий на поверхность под углом,
преломляется, изменяя направление, однако на противоположной
грани стекла угол выхода луча равен углу входа.
В соответствии с законом Бугера интенсивность проходящего
лучистого потока через массу стекла толщиной 6, м, вычисляют по
формуле
Дх) = Д1-р)[ехр(-рх)-рехр(-р(28-х))], (2.13)
где I- интенсивность падающей на поверхность радиации, Вт/м2;
р - коэффициент отражения сред стекло-воздух;
Р - показатель поглощения солнечной радиации, 1/м;
х - текущая координата, м.
Свойства проникания и поглощения различны для прямой и
диффузной радиации. Это связано с изотропным характером пря-
мых лучей и анизотропностью диффузной радиации. Свойства по-
глощения и отражения прямых лучей зависят от вида стекла и угла
падения луча. На рис. 2.4 (по данным НИИСФ) показана зависи-
мость коэффициентов проникания 0, поглощения р и отражения р от
профильного угла 0 (угла между лучом и нормалью к поверхности)
для стекол различной толщины. Можно считать, что оптические
свойства стекла у прямой радиации, падающей под углом 60 °C и
более, такие же, как у диффузной радиации, для которой они не за-
висят от угла 0.
Основной характеристикой, используемой в расчетах, служит
коэффициент проникания радиации 0, складывающийся из двух
частей:
0 = 000, (2.14)
где 0О - максимальное значение коэффициента (при 0 = 0);
0~ функция зависимости коэффициента от профильного угла
(для диффузной радиации 0=1). Коэффициент 0О зависит от тол-
щины стекла 5 в мм:
0О = а—ЬЪ.
70
(2-15)
Рис. 2.4. Зависимость коэффициентов проникания р, поглощения р
и отражения р от профильного угла 0 для стекол различной тол
ПН
тны
Значения коэффициентов а и b приведены в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Значения коэффициентов в формуле (2.15)
Вид радиа- ции Значения коэффициентов а и b для расчета
одинарного остекления второго стекла двойного остекления
проникания ро отражения ро проникания ро отражения ро
а В а В А b а b
Прямая 0,885 0,015 0,104 0,001 0,765 0,014 0,186 0,004
Диф- фузная 0,756 0,015 0,217 0,002 0,632 0,013 0,32 0,008
Рассчитывать р желательно с помощью аналитической функ-
ции. Исходя из экспоненциальной зависимости (2.13) ослабления
луча света в поглощающей среде, воспользуемся формулой, дающей
погрешность аппроксимации не более 2%:
р = (cos 0)°’88 exp (1 - cos 0).
(2.16)
71
Коэффициент поглощения р для обычного стекла на порядок
меньше коэффициента проникания. У поглощающих стекол величи-
на р становится определяющей. Коэффициент отражения р обычных
и поглощающих стекол отличается незначительно. Его значение для
профильного угла 0 < 60° мало (0,01), а при больших значениях 0
резко возрастает. Характер зависимости р - f (0) аналогичен функ-
ции (2.16):
р - р0 (cosO)0,88 ехр(1 - cosO).
(2.17)
Зависимость дает удовлетворительную погрешность при 0 > 50°.
Коэффициент ро зависит от толщины стекла, но в меньшей сте-
пени, чем Ро. Коэффициент поглощения определяется из балансово-
го уравнения
р = 1-р-р. (2.18)
Испытания, выполненные в НИИСФ, показали, что для двойно-
го остекления поток теплоты за счет разности температуры внут-
реннего остекления и помещения в период максимальной инсоля-
ции составляет до 20% от суммарного потока. Эта составляющая
возрастает с увеличением коэффициента поглощения стекла или в
солнцезащитных устройствах в межстекольном пространстве. В та-
ком устройстве проникающая радиация снижается, поэтому вторая
часть теплопритока может стать определяющей.
Расчет температуры поверхности облучаемого одинарного ос-
текления основан на решении дифференциального уравнения тепло-
проводности с источником и уравнений теплообмена на поверхно-
стях. После подстановки в решение постоянных (нормируемых) ве-
личин получена формула для расчета теплопритока через одинар-
ный светопроем с толщиной остекления 8:
с2
9 = (0,5125 + 0,163Р)^. (2.19)
Суммарное теплопоступление через окно складывается из те-
плопоступления, проникающего через остекление и получаемого за
счет разогрева стекла поглощенным радиационным потоком. С уче-
том формулы (2.19) суммарное значение коэффициента р0
72
o .s 82
Bn -a-bo + c--,
Но 100
(2.20)
где коэффициенты а и b определяются по табл. 2.3, а коэффициент с
равен 0,512 для прямой и 0,163 для диффузной солнечной радиации.
Понятие «инсолируемая площадь» относится только к тепло-
притоку от прямой радиации вследствие ее направленного характера
действия. Можно полагать, что вся площадь остекления Лок пропус-
кает тепловой поток от диффузной радиации. Затенение части стек-
ла оконными откосами или горизонтальными и вертикальными ста-
ционарными солнцезащитными устройствами (рис. 2.5) можно
учесть с помощью коэффициента затенения Аок, который равен
отношению площади окна, освещенной прямыми солнечными луча-
ми, к общей площади окна:
Лок=(1-—^ас)(1
А-/
h tqhz
Н cosar
(2.21)
где 1,h-размеры затеняющего выступа, м (см.рис. 2.5);
Рис. 2.5. К определению коэффициента затенения
L,H- размеры окна (см. рис. 2.5);
ас - солнечный азимут поверхности
ar = arccos
f cos 0
<coshc>
(2.22)
73
hc - высота стояния Солнца, град.
hc = arcsin (cos 8 cos ф cos у + sin 8 sin ф). (2.23)
Принятые обозначения углов даны в разд. 4.6.
Таким образом, суммарное теплопоступление, проходящее* от
солнечной радиации через окно, равно:
бп ~ ЛкСТ Ро.п Лак + £>Ро.д )Рз >
(2.24)
где индексами «п» и «д» обозначены коэффициенты для прямой и
диффузной радиации.
На рис. 2.6 показана схема теплопередачи для окна, состоящего
из трех элементов.
Рис. 2.6. Теплопередача окна с тремя радами остекления
Модель расчета температурных условий в приведенной схеме
оказывается достаточно сложной. Для окна, имеющего несколько
стекол и (или) съемную солнцезащиту снаружи либо между стекла-
ми, коэффициент пропускания равен произведению коэффициентов
для каждого слоя остекления и солнцезащиты (за исключением
внутренней), т.е. Р = pi 02 • • • Ри-
74
С использованием обозначений, принятых в инженерных руко-
водствах, основные формулы для инженерных методов расчета
можно записать следующим образом.
1. Удельный тепловой поток от проникающей солнечной радиа-
ции через принятое остекление:
«пр = (Ло + «ЖблЖотЛ • Вт/м2,
где Я® и «у® - максимальное удельное количество теплоты от пря-
мой и рассеянной солнечной радиации, проникающей через верти-
кальное одинарное остекление, Вт/м2, в зависимости от ориентации
фасада, географической широты района строительства и времени
суток; Я*инсв и соответственно коэффициенты инсоляции и
облучения для вертикального остекления (<1), рассчитываемые, ис-
ходя из размеров окна, толщины стены, размеров выступающих
солнцезащитных устройств, а также (только для Ктс в) - от времени
суток; Кот - коэффициент относительного проникания солнечной
радиации и т2 - коэффициент учета затенения окна переплетами,
зависящие от типа остекления.
2. Наружная условная температура на поверхности окна:
*нусл =Гнсо + 0»54н *₽2
| (*$в • ^инс.в + • ^обл ) * Р// * Т2
ан
где гнср- средняя температура наиболее жаркого месяца (июля) по
СНиП 23-01-99*; для кондиционируемых помещений следует прини-
мать наружную температуру в теплый период года по параметрам «Б»;
- средняя суточная амплитуда колебания температуры на-
ружного воздуха в теплый период по СНиП 23-01-99*;
Р2~ коэффициент, учитывающий суточный ход наружной тем-
z -J
пературы; в первом приближении Р2 =cos 2п •——
24
, где zp - рас-
четный час суток (считается, что температура наружного воздуха
достигает максимума примерно в 15 часов);
р/7 - приведенный коэффициент поглощения радиации окном
данного типа;
75
SB, Ds - удельное количество теплоты, Вт/м2, поступающей от
прямой и рассеянной радиации на вертикальную поверхность соот-
ветствующей ориентации в зависимости от географической широты
и времени суток;
ан - коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности окна;
для вертикальной поверхности ан = 5,8 +1, Вт/(м2-К), где V -
расчетная скорость ветра для теплого периода по СНиП 23-01-99*,
но не менее 1 м/с.
3. Удельные теплопоступления от теплопередачи через окно:
<71ТГ = ~ > Вт/м2, где Ro, м2К/Вт - сопротивление окна теп-
лопередаче в летних условиях.
4. Суммарные теплопоступления через окно:
2ор = (?лр + )4>к ’ Вт, где Лок - площадь окна, м2.
Если помещение находится на последнем или единственном эта-
же, кроме поступлений через окна, необходимо учитывать поступле-
ния через покрытие или чердачное перекрытие в размере 5-7 Вт/м2.
Если окна помещения выходят на два и более смежных фасада,
которые могут одновременно освещаться солнцем, необходим рас-
чет на несколько часов подряд от момента максимума
теплопоступлений через один фасад до максимума через другой.
Для каждого часа определяются суммарные поступления через все
фасады, и за расчетное значение принимается наибольшая из этих
сумм. Если окна выходят на противоположные фасады, делается
расчет для одного часа - в момент максимума через более
остекленный или ориентированный на южную половину горизонта
фасад, но опять-таки с учетом поступлений через второй фасад, куда
будет поступать только рассеянная радиация. Пример расчета
теплопоступлений от солнечной радиации приведен в приложении
(п. 5.3).
2.4, Теплопоступления от источников искусственного
освещения и других источников
Теплопоступления от источников искусственного освеще-
ния учитываются в холодный период года, за исключением поме-
щений, перечисленных в примечаниях, когда такой учет возможен и
в теплый, и переходный периоды. Эти теплопоступления зависят от
принятого уровня освещенности помещения и удельных тепловыде-
76
лений от установленных светильников и определяются с использо-
ванием следующих таблиц по формуле
Оосв = Е * Ди * 9осв * Ьосв > (2.25)
где А„л - площадь пола помещения, м2, коэффициент hOCB равен 1,
если светильники находятся непосредственно в помещении, и 0,45 -
если светильники располагаются в вентилируемом подвесном по-
толке. Остальные параметры приведены в табл. 2.4 и 2.4а (из СНиП
23-05-95 и других источников).
Таблица 2.4
Удельные тепловыделения от светильников с люминесцентными
лампами (верхние значения) и лампами накаливания
(нижние значения)
Тип све- тильника Средние удельные тепловыделения ^Осв, Вт/(лкм2), для помещений площадью, м2
менее 50 50-200 более 200
При высоте помещения, м
до 3,6 более 4,2 До 3,6 более 4,2 до 3,6 более 4,2
Прямого света 0,077 0,202 0,058 0,074 0,056 0,067
0,212 0,280 0,160 0,204 0,154 0,187
Диффузно- го света 0,116 0,166 0,079 0,102 0,077 0,094
0,319 0,456 0,217 0,280 0,212 0,268
Отражен- ного света 0,161 0,264 0,154 0,264 0,108 0,145
0,443 0,726 0,424 0,726 0,297 0,399
Таблица 2.4а
Уровень общего освещения помещений
Помещения Общая осве- щенность помещения Е, лк
1 2
Проектные залы, конструкторские бюро 600
Читальные залы, проектные кабинеты, рабочие и классные комнаты и аудитории 300
Залы заседаний, спортивные, актовые, зрительные залы клубов, фойе театров, обеденные залы, буфеты 200
77
Окончание табл. 2.4а
1 2
Крытые бассейны, фойе клубов и кинотеатров 150
Номера гостиниц 100
Зрительные залы кинотеатров, палаты и спальные комнаты санаториев 75
Торговые залы магазинов продовольственных това- ров 400
То же промышленных товаров 300
То же хозяйственных товаров 200
Аптеки 150
Примечания:
1. Для помещений без световых проемов (зрительные залы и
т.п.) теплопоступления от освещения учитывают во все периоды
года в одинаковом размере. Теплопоступления от солнечной радиа-
ции в теплый и переходный периоды года учитываются, только ес-
ли такое помещение находится на последнем или единственном
этаже - это будут теплопоступления через покрытие или чердач-
ное перекрытие.
2. При «глубоких» помещениях (глубиной больше 6 мот оконных
проемов) теплопоступления от освещения учитывают также в
теплый и переходный периоды от источников, освещающих ту
часть помещения, которая удалена от окон более чем на 6 м, со-
вместно с теплопоступлениями от солнечной радиации.
3. Частичный учет теплоты от искусственного освещения в
теплый и переходный периоды года с коэффициентом 0,3-0,5 по
сравнению с холодным периодом года также возможен в помеще-
ниях, в которых часть светильников работает днем (читальные
залы, офисы, залы ресторанов и т.п.).
В помещениях предприятий общественного питания имеют ме-
сто теплопоступления от остывания пищи (в торговом зале) и от
технологического оборудования (на кухне).
Поступление полной теплоты от горячей пищи в обеденном зале
(2.26)
где qn - средняя масса всех блюд, приходящихся на одного обедаю-
щего, кг (обычно около 0,85); сП - условная теплоемкость блюд, вхо-
дящих в состав обеда, кДж/(кг-К) (обычно равна 3,3); Гнп, А<п - на-
78
чальная и конечная температура ]
ниш
а, поступающей в обеденный
зал (например, соответственно 70 и 40 °C); Zn - продолжительность
принятия пищи одним посетителем (для ресторанов -1ч, для столо-
вых - 0,5-0,75 ч, для столовых с самообслуживанием - 0,3 ч); при
подстановке в формулу величину Zn необходимо перевести в секун-
ды, т.е. умножить на 3600; п - число посетителей в обеденном зале.
Одна треть величины Qrn поступает в помещение в виде явной
теплоты, а две трети - в виде скрытой.
Теплопоступления от технологического оборудования кухонь
боб, Вт, вычисляют по формуле
= 1000-Хо|Х К3 -(l-ZQ + IA;-К,-(l-K2) + YNp -К,]’ (2.27)
где Ум - установочная мощность модулированного технологическо-
го оборудования (по паспортным данным), кВт; Nn - установочная
мощность смодулированного технологического оборудования
(котлы, кипятильники - также по паспортным данным), кВт; N? -
установочная мощность электрического оборудования в раздаточ-
ном проеме, кВт;
Ко - коэффициент одновременности работы теплового оборудо-
вания (для столовых - 0.8, для ресторанов и кафе - 0,7); К3 - коэф-
фициент загрузки теплового оборудования (см. таблицу ниже); Ki -
коэффициент эффективности приточно-вытяжных локализующих
устройств (ПВЛУ), равный 0,75; К2 - то же для смодулированного
оборудования (ПВЛУ - 0,75, для завес - 0,45).
Теплопоступления от нагретых поверхностей определяются по
формуле
йюв =(а« +ал)Чов Хв -4). Вт, (2.28)
где Аюв и A™* - соответственно температура поверхности, °C, и ее
площадь, м2; ак и ал - соответственно коэффициенты конвективного
и лучистого теплообмена, Вт/(м2-К). Они определяются по форму-
лам: ак = Афпоъ - fB , где А = 1,67 для вертикальных поверхностей,
2,16 - для горизонтальных, обращенных вверх, и 1,16 - для горизон-
тальных, обращенных вниз; ая «4,7^0,81 + 0,005(,по.+,,)].
Поступление скрытой теплоты с поступающим в помещение во-
дяным паром бвп, Вт, можно рассчитать по формуле:
79
(2.29)
где Мп - влаговыделения в помещение, кг/ч (например, от людей -
см. п.1.3); г0 = 2500 кДж/кг - удельная теплота парообразования во-
ды при нулевой температуре; свп - теплоемкость водяных паров,
равная 1,8 кДж/(кг-К). Однако обычно бвп, или, что то же самое,
бскр, определяют как разность поступлений полной и явной теплоты,
а влаговыделения определяют обратным расчетом через £?скр:
(2.30)
Это касается, в частности, и влаговыделений от горячей пищи,
где 2скр = 2/3gni (см. примечание к формуле (2.26)). Пример расчета
тепло-, влаго- и газовых поступлений в помещение приведен в при-
ложении (п. 5.3).
2.5. Простейшие процессы изменения состояния
влажного воздуха в 147-диаграмме
Для дальнейшего рассмотрения процессов в помещении при вен-
тиляции и кондиционировании воздуха необходимо рассмотреть про-
стейшие процессы изменения состояния влажного воздуха и их изо-
бражение в /-^-диаграмме. К простейшим относятся процессы, про-
текающие при постоянстве одного из трех основных линейных пара-
метров состояния: температуры, влагосодержания или энтальпии.
Процессы при d = const (рис. 2.7):
1-2 - сухой нагрев в поверхностном воздухонагревателе (кало-
рифере);
h > hi h > 1\, <р2 < 91-
Расход теплоты на нагрев потока воздуха с расходом (7В, кг/ч:
Q-2 =GBC3(t2-0/3,6, Вт. (2.31)
Здесь и далее Съ = 1,005 кДж/(кг-К) - удельная теплоемкость
воздуха.
80
Рис. 2.7. Процессы изменения состояния воздуха при d= const,
t = const,/= const
1-3 - сухое охлаждение в поверхностном воздухоохладителе;
•> > fp> 1\> /з, ф1 < Фз < 100%.
Расход теплоты, отводимой от потока воздуха:
е1-3=ад(А-/3)/з,б, вт.
(2.32)
Если охлаждать воздух ниже точки росы, процесс идет с выпа-
дением конденсата (с осушкой), как показано на рис. 2.8. Как прави-
ло, относительная влажность в конце процесса составляет 90-95%.
Условно такой процесс изображают одним отрезком, соединяющим
начальную и конечную точки 1 и 3'. Продолжение этого отрезка пе-
ресекает кривую ф = 100% при температуре подаваемого в аппа-
рат холодоносителя. В этом случае от воздуха отводится не только
явная, но и скрытая теплота, поэтому общее ее количество равно:
Q-y =GB(A -4)/3,6, Вт. (2.32а)
Количество конденсирующейся влаги:
G„ = GB(J, - d3.) • 10% кг/ч. (2.33)
81
Рис. 2.8. Процесс охлаждения воздуха с осушкой
Процесс при t - const (см. рис. 2.7): 1-4 - изотермическое ув-
лажнение.
А > Л, ф1 < ф4 < 100%.
В отличие от случая d — const по линии t = const можно двигать-
ся только в сторону увеличения влагосодержания, если не приме-
нять оборудования специальной конструкции. Практически процесс
1-4 можно реализовать в пароувлажнителе.
Количество поступающей в воздух влаги в виде водяного пара:
кг/ч, (2.34)
следовательно, приращение влагосодержания воздуха равно:
Arf = rf4-rf1=^L.10-3, г/кг. (2.34а)
<?в
При этом в воздух поступает практически только скрытая теп-
лота в количестве:
й-4 =G,(Z4-/l)/3,6 = GBn(2490+l,8/Bn)/3,6,BT, (2.35)
82
откуда приращение энтальпии воздуха равно:
Д/= (2490+ 1,8ZM), кДж/кг.
GB
Здесь - температура подаваемого пара, °C; 2490 кДж/кг -
удельная теплота парообразования воды при 0 °C, 1,8 кДж/(кг-К) -
средняя удельная теплоемкость водяного пара.
Тогда по определению угловой коэффициент луча происходя-
щего процесса увлажнения равен:
8 = • 103 = 2490+1,8Ln, кДж/кг.
Аб7
Как известно, для изотермы 8 = 2490 +1,8ZB, но поскольку 2490 »
» 1,8Г при любых температурах до 100 °C, то даже при существенной
разнице tBn и отклонение процесса увлажнения паром от изотермиче-
ского пренебрежимо мало.
Процесс при I = const (см. рис. 2.7): 1-5 - адиабатное (изоэн-
тальпийное) увлажнение и охлаждение.
h>t5> Гм, epi < ср5 < Ю0%.
Приближающийся к такому процесс можно осуществить в кон-
тактном аппарате (форсуночной камере или сотовом увлажнителе) с
рециркулирующей водой. При этом поток поступающей в воздух
скрытой теплоты за счет испарения воды будет равен обратному по-
току явной теплоты от воздуха к воде за счет образовавшейся разно-
сти температур, так как при испарении вода приобретает температуру
мокрого термометра tM. Равенство этих двух потоков и обусловливает
выполнение соотношения I = const. Величина tM является предельной
температурой воздуха после данного процесса. Практически конечное
значение относительной влажности составляет 90-95%, но может
быть уменьшено специальными приемами, хотя получить ср5 < 65%
оказывается уже очень затруднительно.
Процессы смешения воздуха, имеющего различные
параметры состояния
Процесс смешения обычно происходит при рециркуляции, т.е.
подмешивании части уходящего из помещения воздуха к наружному
(подробнее об этом будет сказано в дальнейшем).
83
Процесс смешения на Z-d-диаграмме изображается отрезком,
соединяющим точки состояния компонентов смеси (на рис. 2.9 -
точки 1 и 2). Точка смеси С делит этот отрезок в отношении, обрат-
ном отношению расходов компонентов, что будет доказано ниже.
Рис. 2.9. Процесс смешения потоков воздуха с разными параметрами
Линейные параметры точки С можно найти через соответст-
вующие параметры точек 1 и 2 и расходы компонентов G\ и <72 по
однотипным формулам:
► - AQi +t2&2 op. j __ + d2G2
с gv+g2 9 9 с q+G2
, г/кг; Ц =
/Д +I2G2
, кДж/кг,
или в общем виде:
где П- любой линейный параметр (t, d, Г). (2.36)
Последняя формула получается из уравнения баланса смеси по
каждому параметру:
n2G2={Gl + G2)nc,
84
где в левой части стоит сумма потоков, вносимых в смесь с каждым
компонентом, а в правой - общее содержание рассматриваемого па-
раметра в смеси.
Отсюда получаем:
(2.37)
G
Аналогично показывается, что П2-Пс=-----1—(ZZ2-ПЛ, по-
G, + G2
П — И G
этому — ---- = —, т.е. точка С действительно делит отрезок 1-2 в
Пс~П\ G2
отношении, обратном отношению расходов.
Процессы изменения состояния воздуха
при контакте его с водой
Контакт воздуха с водой происходит при его обработке в кон-
тактных аппаратах (например, форсуночных камерах или сотовых
увлажнителях) с непосредственным разбрызгиванием воды в возду-
хе. Из-за малого диаметра капель или малой толщины водяной
пленки в таких аппаратах можно пренебречь разностью температу-
ры на поверхности воды и в ее глубине и считать обе величины рав-
ной tw.
На /-tZ-диаграмме процесс обработки воздуха водой изобража-
ется отрезком, выход
и из точки начального состояния воздуха
и пересекающим кривую <р = 100% при температуре tw (рис, 2.10).
Как правило, реальная относительная влажность в конце процесса
(точка О) составляет 90-95%, но она может быть уменьшена за счет,
например, сокращения расхода воды или укорочения орошаемой
насадки в аппарате, но обычно не более чем до 65%.
Таким образом, луч процесса обработки воздуха водой пред-
ставляет собой некоторую секущую для кривой (р = 100%, а по-
скольку предельным положением секущей является касательная, все
возможные процессы обработки водой заключены в области между
85
двумя касательными, проведенными из точки 1 к кривой <р = 100%
(рис. 2.11). Линии d\ - const и = const делят эту область на три сек-
тора: I - нагрев и увлажнение (tw > t\), II - охлаждение и увлажнение
и III - охлаждение и осушка (7W < tp). В последнем случае капли воды
не только не испаряются, но и, наоборот, поглощают водяные пары
из воздуха. Линия I] - const делит сектор II на две зоны: a (tw > Гм) -
энтальпия повышается, так как скрытой теплоты к воздуху подво-
дится больше, чем отводится явной, и Ъ (tw < Гм) - энтальпия понижа-
ется, так как явной теплоты отводится больше, чем подводится
скрытой.
Рис. 2.10. Процесс обработки воздуха водой
Рис. 2.11. Возможные процессы обработки воздуха водой
86
2.6. Принципы определения требуемого воздухообмена
в помещении, оценка распределения параметров
в помещении
Избытки теплоты и влаги, выделение токсичных паров и газов,
пыли приводят к нарушению нормального состава внутреннего воз-
духа. Нейтрализацию этих возмущающих воздействий на микро-
климат компенсирует удаление из помещения загрязненного и пода-
ча в него свежего вентиляционного воздуха, т.е. обеспечение возду-
хообмена. Процесс формирования параметров микроклимата поме-
щения с помощью воздухообмена и есть вентиляционный процесс.
Вентиляция помещений связана с большой затратой энергии на
обработку и перемещение воздуха, что обусловлено малой плотно-
стью и теплоемкостью воздуха. Поэтому очень важно обеспечить
эффективное протекание вентиляционного процесса. Под эффектив-
ностью в данном случае понимается обеспеченность заданных пара-
метров воздуха в пределах рабочей зоны при минимальной величине
воздухообмена.
Эффективность вентиляционного процесса оценивается двумя
показателями:
1) степенью использования приточного воздуха в помещении,
которая численно оценивается:
-коэффициентом воздухобмена по температуре t
(2.38)
- коэффициентом воздухообмена по концентрации примесей С
(2.39)
2) степенью равномерности распределения скорости (подвиж-
ности) и температуры по площади рабочей зоны, которая оценивается:
- коэффициентом неравномерности скорости
(2.40)
87
- коэффициентом неравномерности температуры
t -t
рз стр
(2.41)
где индексом «рз» обозначены параметры воздуха в рабочей зоне,
«у» - уходящего воздуха, «п» - приточного воздуха, «стр» - воздуха
в струе; ctv и ст, - среднее квадратичное отклонение скорости и тем-
пературы в пределах рабочей зоны помещения объемом Vp3.
Достоверное определение коэффициентов mt и mv имеет важное
практическое значение. Эти величины позволяют вычислить темпе-
ратуру и концентрацию вредностей уходящего воздуха. В свою оче-
редь, ty и Су являются исходными величинами при расчете воздухо-
обмена.
Другой способ определения параметров уходящего воздуха ис-
пользует понятие градиента температуры grad t, К/м:
/у =/рз + grad/(# - 2). (2.42)
Величина градиента зависит от тепловой напряженности по-
мещения
ризб
*уд=-7Г’
где 036- избытки явной теплоты, Вт:
- при £Уд < 11,5 Вт/м3 grad t < 0,5 К/м;
- при qyR =11,5-23 Вт/м3 grad t = 0,3-1,2 К/м;
- при <7УД > 23 Вт/м3 grad t ~ 0,8-1,5 К/м.
Приведенные данные относятся к теплому периоду года. Для
холодного периода в помещениях с незначительными теплоизбыт-
ками (q < 23 Вт/м3) можно считать grad/ = 0 и ty = /рз. При конди-
ционировании воздуха в невысоких помещениях (до 4 м) обычно во
всех случаях принимают /у = /рз +1.
Рассмотрим идеализированную схему вентиляционного про-
цесса в помещении. На рис. 2.12, а схема показана в виде условного
пути приточного воздуха в помещении, а на рис. 2.12, б - в виде ка-
88
нала с равномерно распределенным по длине выделением газовой
вредности. Движение приточного воздуха по каналу моделирует
вентиляционный процесс ассимиляции вредности.
Вариант А
Вариант Б
Вариант В
Рис. 2.12. Схематическое представление вентиляционного процесса:
а - в виде движения воздуха в помещении; б - в виде движения воздуха в
канале с равномерно распределенной вредностью
89
Для того чтобы найти распределение концентрации вредности
по длине канала, составим балансовое уравнение для элементарного
объема размером дх в стационарных условиях (см. рис. 2.12, б)
Mdx = LdC,
(2.43)
где М- удельное, на 1 м длины канала, выделение вредности в
мг/(ч-м).
Интегрирование уравнения баланса (2.36) по х в пределах от 0 до
х и по С в пределах от Сп до С дает линейную зависимость С от х
(2.44)
Задача организации процесса состоит в обеспечении заданной
концентрации Срз в пределах рабочей зоны. Возможны три случая
организации воздухообмена (см. рис. 2.12)'.
А. Подача и удаление воздуха из верхней зоны;
Б. Подача воздуха в рабочую зону и удаление из верхней зоны;
В. Подача воздуха из верхней зоны, удаление - из рабочей зоны.
Как видно из рис. 2.12, воздух проходит разный путь I и путь до
рабочей зоны Хрз, ассимилируя по пути вредность.
Полная разность концентрации АС = Cv - Сп в мг/м3 определя-
у 11
ется в соответствии с (2.44) как отношение массы вредности М^,
мг/ч, к расходу воздуха L в м3/ч:
АС =
(2.45)
На рис. 2.13 показаны графики изменения концентрации вред-
ности по пути движения. Концентрация вредности в приточном воз-
духе одинаковая для всех вариантов. Из графиков видно, что для
обеспечения концентрации в рабочей зоне вариант Б соответствует
наибольшей разности концентрации АС, у варианта А величина
АС меньше, а самый малый перепад АС у варианта В.
Из сказанного следует, что вариант подачи воздуха в рабочую
зону и удаления из верхней зоны требует наименьшего расхода воз-
духа, при подаче и удалении воздуха из верхней зоны требуемый
90
расход воздуха возрастает, и наибольший расход воздуха соответст-
вует удалению воздуха из рабочей зоны при подаче в верхнюю зону.
Изложенные представления о вентиляционном процессе при асси-
миляции газовых вредностей справедливы также и для процесса ас-
симиляции системой вентиляции избыточной теплоты и влаги. ДлЯ
этих случаев диаграмма на рис. 2.13 будет построена точно также
для температуры и влажности воздуха.
Рис. 2.13. Диаграмма величины перепада концентрации вредности
при разных способах организации вентиляционного процесса
Однако в системе кондиционирования температура приточного
воздуха может быть произвольной, что может внести некоторые
коррективы в представления о вентиляционном процессе.
2.7. Балансы вредностей в помещении, определение
воздухообмена по теплоизбыткам и влаге, по газовым
выделениям и по кратности, санитарная норма воздуха
Исходными для определения воздухообмена являются величины
тепловой, влажностной и газовой нагрузки на систему вентиляции, а
определяющим - распределение температуры и концентрации вред-
91
ностей в объеме помещения. В значительной мере это относится к
температуре и концентрации вредностей в уходящем воздухе.
В помещении может иметь место сочетание разных схем венти-
ляционного процесса. Рассмотрим одну из типовых схем организа-
ции воздухообмена, представленную на рис. 2.14. Схема включает
общеобменный приток в вытяжку в верхней зоне и местный отсос из
рабочей зоны.
Рис. 2.14. К составлению балансовых уравнений воздухообмена
в помещении
Воздухообмен, т.е. производительность по воздуху общеобмен-
ных систем вентиляции и (или) кондиционирования, определяется
из уравнений баланса по теплоте, влаге и газовым вредностям.
Баланс по явной теплоте имеет вид
GncBtn+3,6Q^=GuocBtpl+GycBfy. (2.46)
Уравнение баланса по явной теплоте дополним уравнением ба-
ланса по воздуху
G. = Gy + Gm.
(2.47)
92
В балансовых уравнениях две неизвестных: Ga,Gy. Расход воз-
духа в местном отсосе GM0 в кг/ч определяется заранее:
GMO = 3600Р4<Л» > кг/ч.
(2.48)
где 4^ - площадь рабочего проема местного отсоса, м2;
Кмо - скорость воздуха в проеме, м/с; зависит от вида местного
отсоса и удаляемой вредности в местном отсосе.
Совместное решение уравнений (2.46) и (2.47) позволяет опре-
делить искомую величину Gy, кг/ч:
(2-49)
Величина (7пр определяется из уравнения (2.48). Аналогично
находят величины расхода воздуха из уравнений баланса влаги и
полной теплоты. Разница состоит лишь в том, что в уравнение ба-
ланса влаги входят соответствующие значения влагосодержания
воздуха d в г/кг, а в уравнение баланса по полной теплоте - соответ-
ствующие значения теплосодержания воздуха I в кДж/кг:
G^n+Mw-\^=Gv„dVB+Gydy-, (2.50)
C„/n+3,66^=GMO/MO+Gy/y. (2.51)
Балансовые уравнения (2.50) и (2.51) написаны в традиционных
символах. Корректнее следовало бы подставить в уравнения вместо
избытков явной и полной теплоты £?“з6, Q^36, Вт, и влагопоступле-
ний в помещение кг/ч, максимальные величины тепловой на-
грузки на систему по явной и полной теплоте 0СМП и влаге W™.
Вообще нет надобности в составлении балансов одновременно
по явной, полной теплоте и влаге. Можно показать, что результат
при расчете воздухообмена должен быть одинаков для всех трех
случаев. Расхождения в практических расчетах объясняются лишь
их неточностью.
93
В частном случае, при GM0 = 0, т.е. при наличии только общеоб-
менного притока и общеобменной вытяжки, что характерно для ос-
новной части помещений в жилых и общественных зданиях, из
(2.47) и (2.49) получаем:
. =G _ 3,6-6^ 3,6-е^6 к-ю3
" у c,-(ty-t„) Iy-I„ dy-dB'
(2.52)
„ 3,6-еГ К'Ю3
Из последнего равенства ----— = —-------- по свойству про-
Iу — dy — <7П
3,6 (7у-/п)-103 Ы 1л3 _
порции следует ----=2—= —-----------------10 . Однако по опре-
dy - &d
делению -^--103 = e - угловой коэффициент луча процесса измене-
Лб/
ния состояния воздуха на I~d-диаграмме. В данном случае речь идет
конкретно о вентиляционном процессе, т.е. процессе изменения со-
стояния воздуха в помещении. Следовательно,
р
°пом
(2.53)
пен
>1, что и
В выражение (2.53) входят заранее известные велт
позволяет изобразить соответствующий процесс на /-^/-диаграмме
(подробнее см. п. 3.2).
Воздухообмен из условия ассимиляции газовой вредности опре-
деляется для каждой z-й вредности по формуле:
“3/ч- (2-54)
Су сп
Пример расчета воздухообмена по избыткам явной и полной теп-
лоты, влаги и по газовым выделениям приведен в приложении (п. 5.4).
Концентрация вредности в уходящем воздухе равной предельно
допустимой концентрации вредного вещества в воздухе рабочей зо-
ны. В свою очередь, концентрация вредности в приточном воздухе
не должна превышать 0,3 от ПДК рабочей зоны. Значения ПДК при-
водятся в ГОСТ 12.1.005-88.
94
При одновременном выделении в рабочую зону помещения не-
скольких вредностей, не обладающих однонаправленностью токси-
кологического воздействия на человека, в качестве расчетной вели-
чины принимается наибольшая из полученных по формуле (2.54).
Вещества однонаправленного действия близки по своему хими-»
ческому составу, например различные кислоты, различные спирты,
различные щелочи, различные ароматические углеводороды (толуол
и ксилол, бензол и толуол) и т.д. При одновременном поступлении в
рабочую зону помещения нескольких подобных веществ расчетный
воздухообмен определяется суммированием величин, полученных
по формуле (2.47) для каждого вещества.
В помещениях вспомогательного назначения воздухообмен,
принято рассчитывать по кратности. Кратность воздухообмена п
показывает, сколько раз в течение часа вентиляционный воздух за-
меняет воздух в объеме помещения:
и = р (2.55)
L - расход приточного воздуха, м3/ч;
V- объем помещения, м3.
Кратность принимается со знаком «плюс», что означает приток
воздуха, и со знаком «минус» - для вытяжки.
Одним из важных показателей воздухообмена в помещении слу-
жит санитарная норма, т.е. минимально допустимое количество
наружного воздуха, которое необходимо подавать в помещение. Са-
нитарная норма Lq устанавливается для одного человека и равна при
постоянном пребывании в помещении 60 м3/ч и при временном (ме-
нее 2 ч) пребывании - 20 м3/ч, а при повышенных физических на-
грузках - 80 м3/ч.
Результаты расчета воздухообмена по кратности и санитарной
норме обычно записывают в таблицу (табл. 2.5).
Санитарная норма служит не только основным санитарно-
гигиеническим показателем, но и представляется важным экономи-
ческим параметром, который определяет минимально неизбежные
расходы на обеспечение микроклимата помещения. В идеале надо
стремиться к доведению требуемого воздухообмена, который уста-
навливается из условия ассимиляции тепло-влагоизбытков, до ми-
нимально необходимого, т.е. до санитарной нормы. Это достигается
использованием в здании возможно полного комплекса мер по
95
снижению тепловой нагрузки и согласованной работой систем
отопления-охлаждения и вентиляции.
Таблица 2.5
Расчетный воздухообмен общеобменной вентиляции
по кратности в помещениях здания
№ помещения Наименование помещения Размеры помеще- ния, м, или его пло- щадям2 Объем поме- щения F, м3 Коли- чество людей в по- мете- НИИ ^чел Нормативная крат- ность воздухообме- на и, ч"1, или норма- тивный воздухооб- мен на 1 человека Zo, м3/(ч-чел) Расчетный воз- духообмен, м3/ч
Приток Вытяжка При- ток Вы- тяжка
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Итого:
Дисбаланс:
Примечание. Количество людей в колонке 5 указывается в том случае,
если для данного помещения в литературе указывается нормативный воз-
духообмен на 1 человека, а не кратность.
При определении расчетного воздухообмена систем кондицио-
нирования воздуха исходной величиной является температура при-
точного воздуха. С точки зрения минимизации расхода приточного
воздуха желательно принимать минимально возможную темпера-
туру. Ограничение минимального значения температуры воздуха
связано с воздухораспределением.
Температура воздуха в струе на входе в рабочую зону не должна
существенно отличаться от температуры рабочей зоны (рис. 2.15).
Задача выбора воздухообмена усложняется еще и тем, что скорость
воздуха в струе не может сильно превышать подвижность в рабочей
зоне. Приведенные на рис. 2.15 значения корректирующих величин к
и AZ нормируются.
Таким образом, задача определения расхода воздуха становится
неопределенной и должна решаться последовательным приближе-
нием и на основе расчета воздухораспределителей. Практическое
96
решение задачи состоит в использовании рекомендуемого значения
температуры приточного воздуха (подробнее см. в п. 3.7-3.8).
Рис. 2.15. К определению условий входа струи в рабочую зону
Воздухообмен обычно принято определять из рассмотрения
расчетного теплого, холодного, а иногда и переходного периодов.
Чаще всего за расчетный принимают расход воздуха для теплого
периода года. Это представляется обоснованным, так как именно
теплый период года наиболее напряженный с точки зрения обеспе-
чения требуемых параметров приточного воздуха, что связано с ох-
лаждением и осушкой наружного воздуха. Если расход воздуха ос-
тается неизменным в течение года, то для холодного периода года
следует определить требуемую температуру приточного воздуха.
Для этого надо составить баланс по явной теплоте в помещении для
холодного периода года, например, подстановкой в уравнение (2.46)
или (2.52) соответствующих значений температур и нагрузки на сис-
тему по явной теплоте.
Рассмотренный случай относится к так называемому качест-
венному регулированию системы, когда расход воздуха остается
неизменным, а меняется температура приточного воздуха. Подобное
регулирование осуществляется в течение всего годового цикла экс-
плуатации системы. С учетом энергосбережения более целесообраз-
ным представляется количественное регулирование, основанное на
уменьшении воздухообмена. Возможность уменьшения расхода
приточного воздуха возникает в годовом цикле по мере снижения
холодильной нагрузки на систему при переходе от расчетного теп-
лого периода к расчетному холодному.
4 Основы обеспечения микроклимата зд аний
97
Что касается температуры приточного воздуха, желательно,
чтобы ее значение приближалось к температуре воздуха рабочей
зоны, что соответствует равенству нулю тепловой нагрузки на сис-
тему. В этом случае система вентиляции или кондиционирования
воздуха не выступает в роли системы отопления-охлаждения, а вы-
полняет свое основное назначение. При этом воздухообмен может
сократиться до минимально допустимого и не возникает никаких
проблем с воздухораспределением. Поддержание нулевого значения
тепловой нагрузки на систему возлагается на регулирование парал-
лельной системы отопления. Однако это касается только холодного
периода года, когда система отопления работает, и случая, когда
отопительные приборы оборудованы автоматическими терморегуля-
торами. В других случаях температура притока определяется по ус-
ловиям, рассмотренным далее в п. 3.2-3.3.
Вопросы для самопроверки
1. Чему соответствует знак у величины тепловой нагрузки на
систему отопления-охлаждения?
2. В чем особенности теплопередачи через массивные и немас-
сивные светопрозрачные наружные ограждения?
3. Как оцениваются суточные колебания трансмиссионного теп-
лового потока через наружные ограждения и их влияние на величи-
ну тепловой нагрузки?
4. Приведите формулы для расчета трансмиссионного и ин-
фильтрационного тепловых потоков.
5. Как производится обмер ограждений при расчете трансмис-
сионных теплопотерь?
6. Как определяются добавки к основным трансмиссионным те-
плопотерям через ограждения?
7. Какие природные силы являются причиной возникновения
разности давления воздуха снаружи и внутри здания?
8. Назовите методы построения эпюр разности давления снару-
пишг
жи и внутри здания.
9. Какие зоны движения возникают вокруг здания при его обте-
кании потоком воздуха?
10. Что показывает аэродинамический коэффициент?
11. Выведите формулу перепада давления на фасадах здания в
простейшем случае сбалансированного притока и вытяжки.
12. Приведите формулу для расчета расхода фильтрующегося
воздуха, используемую в инженерных методах расчета.
98
13. В чем особенность инсоляции помещения, называемой пар-
никовым эффектом?
14. Какому закону подчиняется проникание лучистого потока
теплоты через остекление?
15. В чем состоит различие в проникании через остекление теп-
лоты прямой и диффузной солнечной радиации?
16. Что показывают коэффициенты проникания, затенения и
солнцезащиты для прямой и диффузной солнечной радиации?
17. Из каких тепловых потоков складывается суммарная сол-
нечная радиация?
18. В чем различие свойств прямой и диффузной солнечной ра-
диации?
19. Как определяются теплопоступления от источников искусст-
венного освещения?
20. Как вычисляются теплопоступления от горячей пищи и на-
гретых поверхностей?
21. Какие бывают простейшие процессы изменения состояния
влажного воздуха?
22. Как изображаются в /-d-диаграмме процессы смешения по-
токов воздуха и процессы обработки воздуха водой?
23. Что такое воздухообмен?
24. Какие варианты схем организации воздухообмена в помеще-
нии существуют?
25. Как определяется требуемый воздухообмен по избыткам те-
плоты и влаги?
26. Что понимается под вентиляционным процессом?
27. Какими способами определяют параметры уходящего возду-
ха в помещении?
28. Что такое тепловая напряженность помещения?
29. Какой способ организации воздухообмена является наиболее
эффективным?
30. Какие величины составляют балансовые уравнения вредно-
стей в помещении?
31. Как определяется расчетный воздухообмен из условия асси-
миляции вредностей?
32. Что понимается под однонаправленными вредностями?
33. Что показывает кратность воздухообмена в помещении?
34. Какие ограничения накладываются на температуру и ско-
рость приточного воздуха и почему?
99
3. Процессы формирования
и обеспечения микроклимата помещения
3.1. Воздействие наружной среды на здание
Микроклимат в помещениях формируется за счет возмущающих
воздействий внешней среды и технологического процесса внутри
здания, нейтрализуемых системами отопления, вентиляции и конди-
ционирования воздуха
Взаимодействие здания с внешней средой проявляется в виде
потоков теплоты, влаги и воздуха, приходящих извне внутрь или
наоборот. Направление и интенсивность тепло-влаго-воздухо-
передачи через наружные ограждения обусловлены разностью по-
тенциалов переноса.
Схема воздействия наружной среды на тепло-массопередачу на-
ружных ограждений представлена на рис. 3.1, Определяющими яв-
ляются параметры наружной среды: температура воздуха (4), тем-
пература грунта (/гр) и небосвода (/неб), скорость и направление ветра
(V), интенсивность прямой (S) и диффузной (D) солнечной радиа-
ции, парциальное давление водяного пара Р.
Рис. 3.1. Схема воздействия наружной среды
на тепло-массопередачу наружных ограждений
100
Теплопередача через наружные ограждения обусловлена разно-
стью температуры наружной и внутренней среды. Для определения
понятия температуры наружной среды следует рассмотреть условия
теплообмена на наружной поверхности (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Условия теплообмена поверхности ограждения
с наружной средой
Теплообмен наружной поверхности складывается из лучистого
и конвективного. Уравнение теплового баланса на поверхности име-
ет вид
<7„ = РЧ + “ил (^н - 0 + “и.к (/и - 0 >
(3.1)
где t - температура наружной поверхности, °C;
tRH- радиационная температура наружной среды, °C;
qn - ткяок теплоты, проходящий через поверхность, Вт/м2;
q - интенсивность падающей на поверхность суммарной сол-
нечной радиации:
q = S + D, Вт/м2;
р - коэффициент поглощения солнечной радиации поверхно-
стью;
осн.л, «нж “ коэффициенты соответственно лучистого и конвек-
тивного теплообмена, Вт/(м2-К).
101
Введем в уравнение (3.1) температуру наружной среды tnsp,
равную
t
нар
_ ^н.л^Дн + в^н.л^н
«н
(3.2)
откуда
?п=/^ + ан('нар-ф
(3.3)
Для учета теплоты солнечной радиации, поглощенной поверх-
ностью ограждения, используется понятие условной температуры.
'усл=Чар+— • (3.4)
ан
Уравнение (3.1) в этом случае приобретает вид
Яп = ан ('усл “ 0» (3.5)
где ан - суммарный коэффициент теплообмена на наружной
поверхности, Вт/(м2-К): ан = ан к + ан л.
Наружная поверхность обменивается конвективной теплотой с
наружным воздухом и лучистым теплом с небосводом, грунтом и
противостоящими зданиями.
Условия лучистого теплообмена рассмотрены в разд. 2.1. Ко-
эффициент лучистого теплообмена поверхности, расположенной
под углом к горизонту А, находят по формуле
ал =5,778^0084 + 8^ (1-cosA)],
(3.6)
где е - степень черноты наружной поверхности ограждения; 8гр -
степень черноты грунта.
Конвективный теплообмен на наружной поверхности протека-
ет в режиме вынужденной конвекции. Для выяснения закономерно-
сти течения воздуха у внешних поверхностей рассмотрим аэродина-
мику здания.
102
Как известно, у наветренной поверхности происходит плоскопа-
раллельное движение воздуха, а на заветренных поверхностях обра-
зуются вихри. Так как характер вихря вытянутый, можно считать,
что непосредственно у поверхности также имеет место плоское об-
текание. На рис. 3.3 показана идеализированная картина обтекания
пластины, когда набегающий по нормали поток растекается по по-
верхности. Таким образом, для выбора критериальной зависимости
конвективного теплообмена следует принять условия обтекания
плоской пластины.
Рис. 3.3. Идеализированная картина обтекания пластины
Известно, что турбулентный режим течения характеризуется
критическим числом Рейнольдса Re > 54О5. Это означает, что при
температуре воздуха /н = О °C турбулентный режим соответствует
произведению скорости ветра V на характерный размер I: VI > 6,8.
Если принять минимальную скорость ветра, равную 1 м/с, то харак-
терный размер I > 6,8 м. Это условие удовлетворяется практически
во всех случаях обтекания здания. Для турбулентного обтекания
пластины используют критериальное уравнение Nu = 0,037Re0,8,
где критерий Нуссельта Nu = /, критерий Рейнольдса Re = —.
A V
Учитывая, что при 70,8 < 50 м справедливо приближение /°’8 ~
« 0,57, получаем значение среднего коэффициента конвективного
теплообмена при нулевой температуре ак = 2,95К0’8.
Для учета температуры воздуха можно применить поправку kt =
~ 1 - 0,002г. Когда поток набегает на фасады здания, то скорость его
течения по плоскости отличается от скорости ветра. Если прирав-
нять полное давление потоков вдали от здания и на его поверхности,
103
то с учетом уравнения Бернулли получим соотношение искомой
скорости обтекания Ух и скорости ветра V:
vx=v^c,
где С - аэродинамический коэффициент (см. разд. 2).
Отсюда следует, что на наветренной стороне, где С > 0, наблю-
дается торможение потока, а на заветренной стороне, где С < 0, -
ускорение. Этот вывод соответствует физической сущности процес-
са. Таким образом, в окончательном виде получим формулу расчета
коэффициента теплообмена на наружной поверхности:
an =5,77e[cosA + e^(l-cosA)] + 2,95F^8(l-C)°'4(l-0,002fH). (3.7)
В упрощенном виде это выражение имеет вид
аи=5,2+2,1К,Вт/(м2-К).
(3-8)
В длинноволновой части спектра поверхность ограждения отда-
ет лучистое тепло в сторону небосвода, обменивается теплом с по-
верхностями грунта и окружающих зданий.
Эквивалентную температуру небосвода tHe6 рассчитаем, зная
эффективное излучение поверхности земли Е и температуру грунта
^неб
^+273
100
Е
5’77егр
-273.
(3.9)
Полученная формула Гнеб использует измеряемые метеорологи-
ческие параметры Е и и поэтому представляется более достовер-
ной в отличие от известных, в которых, как правило, Гнеб выражается
косвенно через влажность воздуха.
Формулу для расчета наружной радиационной температуры
получим из уравнения баланса лучистого тепла на наружной по-
верхности:
е
-cosA
Я.н
-273. °C
(3.10)
104
В формулах (3.9) и (ЗЛО) дополнительно принято:
ЛХТпТи
коэффициент длинноволнового излучения поверхности
грунта (различен зимой и летом);
А - угол наклона поверхности к горизонту, °C.
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 ничтожной тепловой инерции окон. В
то же время массивные ограждения (стены, перекрытия) передают
тепловой поток трансформированным.
Наружные ограждения по-разному передают тепловые потоки
от коротковолновой солнечной радиации. В массивных ограждени-
ях происходит поглощение теплоты солнечной радиации поверхно-
стью. Нагретая поверхность (рис. 3.4) возвращает частично теплоту
в наружную среду, а частично передает через толщу ограждения
внутрь помещения.
Рис. 3.4. Схема передачи тепловых потоков от коротковолновой
солнечной радиации через массивное наружное ограждение
Аналогично процесс теплопередачи протекает в светопрозрач-
ных ограждениях. Отличие этих ограждений состоит в том, что
обычное оконное стекло обладает малым коэффициентом теплопо-
глощения Р (~ 0,07) и, кроме того, пропускает через свою толщу те-
пловой поток от солнечной радиации. Величина проникающего
теплового потока зависит от интенсивности солнечной радиации,
105
конструкции окна и солнцезащитных устройств и в теплое время
года может быть определяющей в сравнении с остальными фактора-
ми 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 (рис. 5.5) на наветренном фа-
саде здания возникает избыточное по отношению к атмосферному
давление.
Рис. 3.5. Схема обтекания здания потоком воздуха:
а - вертикальный разрез;
б - схема движения воздуха в зоне аэродинамического следа; 1~ граница
между вихрями в зоне аэродинамического следа, участок с нулевой скоро-
стью движения воздуха; 2 - зона избыточного давления; 3 - здание; 4 - зо-
на разрежения и вихревого движения воздуха; 5 - обратные потоки возду-
ха, входящие в зону аэродинамического следа; б - граница зоны аэродина-
мического следа; 7 - граница влияния здания на поток воздуха; 8 - вихре-
образные потоки воздуха из зоны избыточного давления в зону разрежения
106
На заветренной стороне здания в зоне вихреобразования давле-
ние оказывается ниже атмосферного. Величина давления на фасадах
здания определяется скоростью и направлением ветра и конфигура-
цией здания. Таким образом, в результате действия ветра возникает
разность давления на противоположных фасадах здания. Помимо’
ветрового напора перепад давления снаружи и внутри здания фор-
мируется гравитационным напором, обусловленным разностью объ-
емного веса наружного и внутреннего воздуха. Совокупность двух
факторов воздействия наружной среды приводит к фильтрации на-
ружного и внутреннего воздуха через открытые проемы и неплотно-
сти 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 существен-
ное вл
ЕЕШ
де на их теплозащитные свойства и долговечность.
Нарушение нормальной влагопередачи приводит к накоплению
влаги в толще ограждения и появлению на его внутренней поверх-
ности плесени.
Наружный воздух, передаваемый в помещение системой венти-
ляции, оказывает непосредственное влияние на формирование пара-
метров внутреннего микроклимата.
Так, влажность наружного воздуха в значительной мере опре-
деляет влажность внутреннего воздуха, если здание не оборудовано
специальными системами увлажнения для холодного времени года и
осу
и я
и воздуха в теплый период. Аналогично в теплый период года
при отсутствии в здании системы охлаждения температура внутрен-
него воздуха прямо зависит от температуры наружного воздуха.
3.2. Процессы изменения состояния влажного воздуха
н
при вентиля
помещений
Построение процессов изменения состояния воздуха в помеще-
нии при оборудовании систем вентиляции или кондиционирования
необходимо для решения вопроса о возможности того или иного
способа обработки воздуха и для определения затрат теплоты, холо-
да и влаги в ходе такой обработки.
Условные обозначения основных точек на I-d-диаграмме:
Н - состояние наружного воздуха;
В - состояние внутреннего воздуха в обслуживаемой (рабочей)
зоне помещения;
107
П и У - состояние соответственно приточного и удаляемого
(вытяжного) воздуха;
УТ - состояние воздуха после подогрева в теплоутилизаторе;
К - состояние воздуха после воздухонагревателя (первой ступе-
ни);
О — состояние воздуха после воздухоохладителя или секции ув-
лажнения (в зависимости от процесса);
С - состояние смеси двух воздушных потоков;
Епом - угловой коэффициент луча процесса изменения состояния
воздуха в помещении.
Другие обозначения поясняются применительно к каждому кон-
кретному процессу.
Исходные данные для расчета:
Сизб я - избытки явной теплоты в помещении для соответствую-
щего периода года, Вт, определяемые по результатам вычисления
теплопотерь и теплопоступлений по уравнению теплового баланса;
Mw - влаговыделения в помещении, кг/ч;
Параметры точки Н и температура 4 точки В (в режиме венти-
ляции).
В режиме кондиционирования воздуха для точки В заранее при-
нимается и 4, и относительная влажность <рв.
Дополнительно вычисляем:
6изб.п = 2изб.я + Mw(2490 + l,8fB)/3,6, Вт - избытки полной теплоты в
помещении;
е.юМ = 3’65Н, кДж/кг (см. п. 2.7).
К
Прямоточная схема
В условиях вентиляции построение в любом случае начинается
от точки Н, которая наносится на диаграмму в соответствии с пара-
метрами состояния наружного воздуха для соответствующего пе-
риода года. Затем находим точку П на линии = const при темпера-
туре tn. Из точки П проводим луч с угловым коэффициентом епом>
рассчитанным также для соответствующего периода, и на пересече-
нии этого луча с изотермой /в будет располагаться точка В. По по-
строению определяем для этой точки фактическое значение <рв и
проверяем ее соответствие допустимому диапазону. Затем на пере-
сечении того же луча с изотермой ty находим точку У.
108
Теплый период года
Точка Н устанавливается по параметрам «А». Специальная обра-
ботка наружного воздуха в этом режиме не предусматривается, осу-
ществляется только его подача вентилятором, в котором происходит
некоторый подогрев, поэтому принимаем fn = + (0,5...1)°. Величи-
на 4 обычно считается равной + 3, но не выше +28° (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Схема процесса изменения состояния воздуха
при вентиляции помещения в ТП
Воздухообмен в помещении, т.е. расход приточного воздуха и
равный ему расход вытяжного (при схеме организации воздухооб-
мена «один приток - одна вытяжка»), вычисляется по формуле
G = 3’66изб.» /ч
C.(ty-tny
Температуру уходящего воздуха при этом можно определить по
выражению
ty ^в"*"(^ПОМ ^ps)grad/,
где gradr, К/м - вертикальный градиент температуры по высоте по-
мещения, зависящий от удельной теплонапряженности помещения:
109
q = 0*** Bt/(m3 - К) (cm. n. 2.7).
* уд тл \ / x '
гпом
Здесь Гпом “ объем помещения, м3.
Получаемое по построению значение фв не должно превышать
65%.
Процесс для переходного периода выглядит аналогично, только
принимаются следующие параметры точки Н: /н = +10°, /н = 26,5
кДж/кг.
Холодный период года
Н-К - нагрев наружного воздуха в поверхностном воздухонаг-
ревателе (калорифере). Принимаем температуру tK на 0,5... 1 ° ниже,
чем требуемая температура притока tn, для учета последующего дог-
рева воздуха в вентиляторе (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Схема процесса изменения состояния воздуха
при вентиляции помещения в ХП
Величина tn может быть вычислена, исходя из рассчитанного
для теплого периода воздухообмена и величины £?ИЗб.я в холо,
период:
110
*п='у
(3.12)
Если оказывается, что tn < 4.от (минимально допустимого значе-
ния для расчета системы отопления), принимаем /п = /в.от, пересчиты-
ваем воздухообмен (он будет больше, чем вычисленный для теплого
периода) и уточняем фактическую величину 4 в теплый период:
(3.12а)
откуда
f»=?y-(HnOM-^)gradf-
Она будет ниже первоначально принятой, но заведомо выше,
чем /п, поэтому останется допустимой.
Расход теплоты на нагрев воздуха в калорифере:
CK = GBCB(/K-~/H)/3,6, Вт. (3.13)
Адиабатное охлаждение (увлажнение) наружного воздуха
в теплый период года
Адиабатное охлаждение и увлажнение можно осуществить в кон-
тактных аппаратах (форсуночные камеры или сотовые увлажнители)
с рециркулирующей водой, при этом практически I = const. Подроб-
нее об этом рассказывалось выше. В отличие от простой вентиляции
здесь можно более точно поддерживать требуемые параметры точки
В, поэтому изначально задаемся не только температурой 4, но и отно-
сительной влажностью, лучше всего на максимально допустимом
уровне для теплого периода: <рв ~ 65%, и наносим по этим данным
точку В на /-б/-диаграмму. Вычисляем значение епом и проводим соот-
ветствующий луч через точку В. Определяем температуру ty и нахо-
дим на луче процесса точку У. Точка Н отмечается по значениям /нА и
/на, как и при обычной вентиляции. Для учета подогрева воздуха в
вентиляторе наносим вспомогательную точку Н с температурой fa =
= 4 + (0,5... 1)°, проводим через нее линию = const и на ее пересече-
111
нии с лучом процесса в помещении отмечаем точку П. По построе-
нию определяем температуру tn. Реальный процесс проходит сначала
по линии ZH = const из точки Н до точки П', лежащей ниже точки П на
(0,5.Построение показано нарка 3,8.
Рис. 3.8. Схема процесса изменения состояния воздуха
при использовании адиабатного увлажнения в ТП
Очевидно, что для ассимиляции теплоизбытков в помещении
должно выполняться соотношение tn < t3. Из построения следует, что
необходимое условие этого неравенство ZH» <' Zb, если оно не выпол-
няется, то такой процесс не позволяет добиться допустимых пара-
метров внутреннего воздуха и требуется искусственное охлаждение,
точнее - кондиционирование воздуха. Обычно такой процесс можно
применять в жарком и сухом климате. Расход воды на увлажнение:
тптгг
G„ = Gt(dn-d„)-10'3, кг/ч.
(3.14)
Требуемый воздухообмен, как и ранее, вычисляется по формуле
Поскольку по построению точка П лежит на линии - const и
при этом d„ > dH', очевидно, что t„ < ttf, В то же время в отсутствие
увлажнения (при простой вентиляции) имеет место равенство tn -
= /н + (0,5... 1)° - fa, поэтому применение адиабатного увлажнения
приводит к увеличению разности температур (ty - fa) в знаменателе
формулы для Gs, а значит, к сокращению требуемого воздухообме-
на, причем без использования искусственных источников холода.
3.3. Процессы изменения состояния воздуха
при его кондиционировании (прямоточная схема)
В отличие от обычной вентиляции, при построении процессов
изменения состояния воздуха при его кондиционировании для точки
В задается значение не только fB, но и относительной влажности фв.
Это позволяет изначально нанести данную точку на /-tZ-диаграмму и
через нее провести луч процесса изменения состояния воздуха в по-
мещении с угловым коэффициентом Еп0М для соответствующего пе-
риода года. Затем на пересечении этого луча с изотермой ty разме-
щаем точку У. В то же время положение точки П на луче процесса
определяется по-разному и будет рассмотрено ниже для каждого
отдельного варианта. Положение точки Н задается по параметрам
«Б» в холодный период, а в теплый - в зависимости от класса кон-
диционирования, но, как правило, тоже по параметрам «Б».
Теплый период года
Вариант 1 (рис. 3.9, а). Сухое охлаждение наружного воздуха в
поверхностном воздухоохладителе. Процесс можно использовать,
если dH < dB. В этом случае проводим линию dH = const из точки Н
вертикально вниз до пересечения с лучом процесса изменения
состояния воздуха в помещении, находим точку состояния
приточного воздуха П и определяем ее температуру fa Убеждаемся,
что разность (гв - fa) не превышает 6...8°, в противном случае нужно
уменьшить величину (рй, оставаясь в пределах ее оптимального
диапазона. Если разность (tB - fa) слишком мала (меньше 2...3°), что
приводит к завышенному воздухообмену, необходимо перейти к
Варианту 2. Реальный процесс в воздухоохладителе идет от Н до
точки О с температурой на 0,5... 1 ° ниже ta с учетом последующего
подогрева воздуха в вентиляторе.
113
Рис. 3.9, а. Схема процесса изменения состояния воздуха
при его кондиционировании в ТП (вариант 1)
Как и при обычной вентиляции, требуемый воздухообмен
вычисляется по формуле
Значение ty можно принять, как и ранее, через grad Г, но при
кондиционировании воздуха обычно этим пользуются только для
высоких помещений (выше 4 м), а в остальных случаях считают ty =
= 4+ 1-
Холодильная мощность воздухоохладителя:
ех=СвСв(^-/0)/3,6,Вт.
(3.15)
Вариант 2 (рис. 3.9, б). Охлаждение наружного воздуха в по-
верхностном воздухоохладителе с осушкой. В этом случае можно
изначально принять 4 - 4 - (6...8°). Процесс можно использовать,
если > ^в, но по построению получается, что продолжение отрезка
Н-П' пересекает кривую ср = 100% при температуре tw не ниже +7° -
114
стандартной температуры воды, охлажденной в холодильной
установке, поскольку процесс охлаждения с осушкой стремится к
точке на кривой ф = 100% с температурой поверхности охлаждения,
практически равной величине tw. Точка ГТ имеет температуру на
0,5...1° ниже ta с учетом последующего подогрева воздуха в
вентиляторе.
Рис. 3.9, б. Схема процесса изменения состояния воздуха
при его кондиционировании в ТП (вариант 2)
Если относительная влажность в точке П' ниже 90%, реальный
процесс в воздухоохладителе идет до точки О, тогда точка П'
получается как результат смешения охлажденного воздуха с
параметрами О и наружного с параметрами Н. В этом случае
используется воздухоохладитель с обводным каналом (байпасом).
Расход влаги, конденсирующейся в воздухоохладителе, вычис-
ляется по выражению
FF = GB(rfH-rf„)-10-3,Kr/4.
Расход воздуха через обводный канал (байпас) можно найти по
формуле, вытекающей из зависимостей для процесса смешения, по-
скольку точка IT по построению является точкой смеси потоков воз-
духа с параметрами Н и О:
115
/7 — /7
(3.16)
Как и при расчете процесса смешения, вместо отношения разно-
сти влагосодержаний можно взять отношение разности температур
или энтальпий для этих же точек, т.е. в конечном счете речь идет об
отношении длин отрезков П'-О и Н-О.
Холодильная мощность воздухоохладителя:
Й = G* (/„ -/„.)/3,6 = Go„ (Z„ -Zo)/3,6, Вт. (3.17)
Здесь (7ОХЛ = GB - (7бп - расход воздуха непосредственно через
воздухоохладитель, за вычетом расхода через байпас. Поскольку
имеет место конденсация водяных паров, при вычислении gx в дан-
ном случае приходится учитывать полную теплоту через разность
энтальпий начального и конечного состояния.
Вариант 3 (рис. 3.9, в). Охлаждение наружного воздуха в по-
верхностном воздухоохладителе с осушкой Н-О и последующий
вторичный подогрев в воздухонагревателе второй ступени О-П'.
Процесс можно использовать, если dH > ds, но по построению
получается, что продолжение отрезка Н-О вообще не пересекает
кривую <р = 100% или пересекает, но при температуре tw ниже +7.
Здесь также можно изначально принять tn = 4 - (6...8°). Тогда из
точки П проводим вертикально вниз линию <7П = const до
пересечения с кривой ф = 90-95% и находим точку О, затем
соединяем ее с точкой Н. В этой схеме обводной канал у
воздухоохладителя не используется, поэтому процесс Н-О
заканчивается при максимально возможной ф = 90-95%.
Расход влаги, конденсирующейся в воздухоохладителе, по-
прежнему вычисляется по выражению
W = GB(d„-</„)• 10-\ кг/ч.
Строго говоря, из dH следовало бы вычитать значение do, т.к.
процесс охлаждения и осушки идет именно до точки О, но по по-
строению do = dn.
Холодильная мощность воздухоохладителя:
й =G,(Zii-Zo)/3,6,Bt.
116
Рис. 3.9, в. Схема процесса изменения состояния воздуха
при его кондиционировании в ТП (вариант 3)
Тепловая мощность воздухонагревателя второй ступени:
Q1 ~ 03Св (^пг (о )/3>6 , Вт.
Холодный период года
Вариант 1 (рис. 3.10, а). Нагрев наружного воздуха в воздухо-
нагревателе 1-й ступени Н-К и последующее адиабатное увлажне-
ние с охлаждением К-IT в форсуночной камере или сотовом увлаж-
нителе (см. рис. слева). Процесс может быть использован, если по
построению в теплый период не требуется вторичный подогрев
(варианты 1 и 2). Процесс строится следующим образом:
- вычисляем требуемую температуру притока по формуле
117
Рис. 3.10, а. Схема процесса изменения состояния воздуха
при его кондиционировании в ХП (варианты 1,2)
Величина GB здесь принимается из расчета в теплый период, а
0изб.я - Для холодного периода (как и при обычной вентид
31Ш
ли оказывается, что (tB - tn) > (6...8°), принимаем tn = tB - (6...8°) и
вычисляем новое значение воздухообмена:
где все параметры берутся для холодного периода (результат будет
выше, чем было получено ранее), после чего уточняем расчеты для
теплого периода;
- размещаем на пересечении луча процесса в помещении и изо-
термы tn точку П и отмечаем точку П' из условия = t„ - (0,5... 1 °)
для учета догрева воздуха в вентиляторе;
- проводим через точку ГГ линию /П' = const, на пересечении ее с
линией dn = const показываем точку К и находим по построению ее
температуру Гк-
Тепловая мощность воздухонагревателя:
118
a = G»CB(zK-ZH)/3,6>BT.
Расход влаги, испаряющейся в секции увлажнения, равен:
^ = GBpnf-JK)10-3=GB(Jn-6ZH).10-3,Kr/4,
так как da> - dn и dK = dK.
Определенным недостатком данной схемы считается необходи-
мость перегрева воздуха в воздухонагревателе для компенсации по-
следующего охлаждения, которое обязательно происходит при
адиабатном увлажнении: по построению tK > tn>.
Поэтому используется и вариант 2: нагрев в воздухонагревателе
Н-К' до температуры tK> = и последующее ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ
увлажнение, которое можно реализовать, например, в пароувлажни-
теле (линия Н-К' на рис. 3.10, а).
Очевидно, что мощность воздухонагревателя QK, = GBCB х
х(/к, —/н)/3,6, Вт, в этом случае будет меньше, чем в первом вари-
анте, поскольку по построению < tK. Расход испаряющейся влаги
тот же самый, что и в предыдущем случае: FF = GB(t7n -t/H)-10~3,
кг/ч. Однако здесь требуется еще дополнительная мощность для ис-
парения воды в пароувлажнителе:
еиИ1=И'(2490+1,8/вп)/3,6>Вт.
Можно показать, что суммарные энергозатраты на обработку
воздуха Q-QK' +бисп = бк из 1‘го варианта, поскольку начальная и
конечная точки (соответственно Н и П') в обоих случаях совпадают,
а теплота процесса определяется только ими и не зависит от пути,
который соединяет эти точки. Данное количество теплоты может
быть определено еще и по выражению
0 = 6в(7п.-/н)/3,6,Вт.
Таким образом, с энергетической точки зрения оба варианта
равноценны. Достоинством пароувлажнения является меньшее ко-
личество примесей, попадающих в воздух, поэтому его применяют
при повышенных требованиях к качеству воздуха (например, в ле-
119
чебных учреждениях). Недостаток же состоит в большей стоимости
пароувлажнителя и в том, что для его работы обычно требуется не
тепловая, а более дорогостоящая электрическая энергия.
Вариант 3. Нагрев наружного воздуха в воздухонагревателе 1-й
ступени Н-К", последующее адиабатное увлажнение с охлаждением
К"-О в форсуночной камере или сотовом увлажнителе и вторичный
подогрев в воздухонагревателе второй ступени О-П' (см. рис. 3.10, б).
Процесс может быть использован, если по построению в теплый пе-
риод необходим вторичный подогрев (вариант 3).
Рис. 3.10, б. Схема процесса изменения состояния воздуха
при его кондиционировании в ХП (вариант 3)
Последовательность построения: из точки П опускаем линию
= const до пересечения с кривой ср - 100% и отмечаем точку О,
затем из точки О проводим линию /о = const до пересечения с лини-
ей = const, проведенной из точки Н, отмечаем точку К" и находим
по построению температуру t^.
Мощность воздухонагревателя 1-ц ступени
Q*” ~ (^к* (н )/^> 6 j Вт;
120
второй ступени
£?2=<Л,Св(гп.-?0)/3,6,Вт.
Расход испаряющейся влаги тот же самый, что и в предыдущих
случаях:
Fr = GB(dn-(/H)10-3,Kr/4.
Так же как и в варианте 2, суммарные энергозатраты на обра-
ботку воздуха Q = QK, + Q2 = GB (1п, - 7Н )/3,6 = QK из 1-го варианта.
3.4. Процессы изменения состояния воздуха
при его кондиционировании
(схемы с рециркуляцией и теплоутилизацией)
Рециркуляция представляет собой подмешивание части вы-
тяжного воздуха к приточному для экономии теплоты на подогрев
притока в холодный период года и для экономии холода на охлаж-
дение притока - в теплый. Рециркуляция возможна, если 6В > <7Сан -
санитарной нормы наружного воздуха, определяемой из условия
разбавления СОг и других вредных веществ. Рециркуляция допус-
тима, если: а) в помещении не выделяются вредные вещества, запа-
хи, бактерии и т.д. в опасных количествах; б) если достаточно места
для прокладки рециркуляционного воздуховода или размеры венти-
ляционной камеры позволяют совместное размещение приточной и
вытяжной установки; в) если это целесообразно с технико-
экономической точки зрения.
Теплый период года
Рециркуляция имеет смысл, если 1У < 7Н, потому что только тогда
добавление вытяжного воздуха к приточному приведет к снижению
теплосодержания смеси и, следовательно, к экономии холода. Жела-
тельно также, чтобы выполнялось условие dy < d№, чтобы рециркуля-
ция способствовала снижению потребности в осушке наружного
воздуха. Поскольку всегда dy > dB из-за наличия влаговыделений в
помещении, практически рециркуляция в теплый период будет це-
лесообразна только тогда, когда в ее отсутствие обработка воздуха
происходит по вариантам 2 и 3 прямоточной схемы.
121
Тогда принимаем расход наружного воздуха GH = GcaH, отсюда
расход рециркуляционного воздуха Gp = GB - Gn, кг/ч. Как и при лю-
бом процессе смешения, соединяем точки Н и У отрезком, на кото-
ром отмечаем точку смеси С по любому из линейных параметров,
например:
/HGL + 1VGV
1С --------, кДж/кг (рис. 3.11, а).
Рис. 3.11, а. Схема процесса изменения состояния воздуха
при его кондиционировании с использованием рециркуляции в ТП
Далее пытаемся построить дальнейшие процессы, как в вариан-
те 2 или 3 прямоточной схемы. Расход холода на обработку притока:
ех=<?в(л-/П’)/з.б,вт.
Это меньше, чем без рециркуляции, поскольку из 1У < /н следует
и 1С < 1№. Кроме того, поскольку в данном случае еще и dy < ск, а зна-
чит, и dc < d№, точка С лежит на I-d-диаграмме левее, чем точка Н, а
поскольку точка ГГ является фиксированной, продолжение отрезка
122
С-ГГ пересечет кривую ф = 100% с большей вероятностью, и точка
пересечения окажется при более высокой температуре, чем в отсут-
ствие рециркуляции. Следовательно, в теплый период при dy < <7Н
рециркуляция позволяет не только сократить расход холода, но и
расширить область расположения точки Н, при которой можно
обойтись без вторичного подогрева притока.
Холодный период года
Здесь рециркуляция имеет смысл всегда, когда она допустима,
поскольку в холодный период заведомо ty » tK, и добавление ухо-
дящего воздуха к наружному всегда повышает теплосодержание
смеси.
Как и в теплый период, соединяем точки Н и У отрезком, на ко-
тором отмечаем точку смеси С по любому из линейных параметров
(в холодный период это удобнее делать по температуре):
t„G„ + tvGv
tc ---- у у , кДж/кг (рис. 3.11, б).
Ов
Рис. 3.11, б. То же в ХП
123
Затраты теплоты на догрев смеси:
,Вт.
Это меньше, чем без рециркуляции, поскольку из ty > следует
и ty > /н. Кроме того, как следует из построения, в данном случае еще
и величина Гк ниже, чем без рециркуд
ЗШП
я, поскольку в ее отсутст-
вие процесс пойдет по линии, показанной пунктиром, до точки fC с
температурой
Находим влагосодержание точки С:
, г/кг.
Расход влаги на увлажнение смеси:
W = G„(d„-<4)-10~3, кг/ч.
Опять же это меньше, чем без рециркуляции, потому что из
dy > d„ следует и dy > dH. Заметим, что при большой доле рециркуля-
ционного воздуха может оказаться, что tc > Ais и тогда дополнитель-
ный подогрев смеси уже не нужен. В то же время при большом вла-
госодержании уходящего воздуха точка смеси может оказаться пра-
вее кривой <р = 100%. В этом случае нужно сначала подогревать
наружный воздух, а уже потом смешивать с рециркуляционным,
иначе при смешении будет выпадать конденсат.
Процесс изменения состояния воздуха при
его кондиционировании с утилизацией теплоты
вытяжного воздуха (холодный период)
В современных условиях для снижения затрат теплоты на подог-
рев притока в холодный период года все чаще применяют утилиза-
цию теплоты вытяжного воздуха в поверхностных теплообменниках.
По сравнению с рециркуляцией при этом исключается непосредст-
венный контакт воздушных потоков, поэтому теплоутилизация пред-
почтительнее с санитарно-гигиенической точки зрения. Конструкции
теплоутилизаторов будут рассматриваться в курсах «Вентиляция» и
«Кон,
т и $
онирование воздуха и холодоснабжение зданий».
124
На рис. 3.12 приведена последовательность процессов обработ-
ки воздуха при использовании утилизации теплоты. Н-УТ - первич-
ный подогрев наружного воздуха в теплоутилизаторе, УТ-К - окон-
чательный нагрев в калорифере-догревателе, К-IT - адиабатное ув-
лажнение и охлаждение в форсуночной камере или сотовом увлаж-
нителе. Таким образом, процесс отличается от обычной прямоточ-
ной схемы только тем, что нагрев притока осуществляется в два эта-
па. Процесс У-0 - это охлаждение вытяжного воздуха в охладителе-
утилизаторе. При этом от вытяжки отводится утилизируемая тепло-
та 0уг, которая передается притоку в процессе Н-УТ.
Рис. 3.12. Схема процесса изменения состояния воздуха
при его кондиционировании в ХП с использованием теплоутилизации
Количество утилизируемой теплоты:
бут = Gy {ly - 70 )/з,6, Вт,
где Gy - расход вытяжного воздуха, кг/ч. В прямоточной схеме он
должен совпадать с расходом притока, но в более сложных случаях
бывает, что Gy меньше, однако разница должна быть минимальной,
125
поскольку чем больше Gy, тем выше и 0ут- Величина /о определяется
для точки О, устанавливаемой по правилам, зависящим от конструк-
ции теплоутилизатора.
Температура притока после утилизатора:
Теплота, расходуемая в догревателе:
a=GBc(z„-^)/3,6,
что меньше, чем без теплоутилизации, так как заведомо > tH,
Можно ввести характеристику теплоутилизатора - коэффициент
его температурной эффективности к^:
^эф = ~~ (безразмерный).
Он показывает долю теплоты, идущей на нагрев приточного
воздуха за счет теплоты вытяжного, т.е. степень экономии теплоты.
Это физическая характеристика аппарата, остающаяся практически
неизменной в течение отопительного периода. Поэтому для других
режимов, кроме расчетного, температуру после утилизатора можно
вычислить по формуле
(ут = + ^эф(^у “ О *
3.5. Струйные течения в помещении
Характер распределения примесей вредных веществ в вентили-
руемом помещении определяется главным образом возникающими
воздушными течениями, которые, в свою очередь, зависят от при-
нятого способа организации воздухообмена.
Решающая роль в формировании полей температуры, скорости
и концентрации примесей принадлежит приточным струям и соз-
даваемым ими циркуляционным течениям. При помощи приточных
струй можно обеспечивать в определенных зонах помещения задан-
126
ные параметры воздушной среды, существенно отличающиеся от
таковых в окружающем пространстве (воздушные души, воздушные
оазисы); создавать воздушные завесы, препятствующие врыванию в
помещение холодного воздуха; применять устройства, способст-
вующие сдуву вредных веществ к месту их организованного удале-
ния (местные отсосы с передувками).
Конвективные (тепловые) струи, формирующиеся вблизи
стен и поверхностей оборудования, имеющих температуру, которая
отличается от температуры окружающего воздуха, также могут ока-
зывать определенное влияние на распределение вредных веществ в
помещении.
Тепловые струи, возникающие над нагретым оборудованием,
способствуют выносу теплоты и вредных примесей в верхнюю зону
помещений. Мощные конвективные потоки переносят в верхнюю
зону помещений газы и пары даже в том случае, если они тяжелее
воздуха.
Приточные струи
Струей называется поток жидкости или газа с конечными попе-
речными размерами, определяемыми границей струи. В технике
вентиляции имеют дело с воздушными струями, которые распро-
страняются в воздухе помещения. Такие струи называются затоп-
ленными. Вентиляционные струи являются турбулентными.
В зависимости от температуры истечения струи разделяются на
изотермические и неизотермические. У изотермической струи
температура во всем ее объеме равна температуре окружающего
воздуха, у неизотермической струи температура изменяется по мере
ее развития, приближаясь к температуре окружающего воздуха.
В зависимости от конструкции воздухораспределительного уст-
ройства струи могут развиваться по разным траекториям. На рис. 3.13
изображено развитие изотермической осесимметричной струи, все
поперечные размеры которой симметричны относительно ее оси, ко-
торая является прямолинейной.
На границе струи, где продольная составляющая скорости равна
нулю, имеет место интенсивное подме:
^ание масс воздуха в струю
Ш!1
и уменьшение скорости воздуха. В пределах коор
1 я:
аты хн скорость
воздуха по оси струи и в ее поперечном сечении равна скорости исте-
чения. Этот участок называется начальным. В последующем осевая
скорость уменьшается, как и скорость в поперечном сечении.
127
Рис, 3.13. Свободная изотермическая осесимметричная струя
Осесимметричные струи вытекают из круглого отверстия и яв-
ляются компактными. К компактным относятся также струи, выте-
кающие из квадратных и прямоугольных насадков.
Плоские струи (рис. 3.14, а) образуются при истечении воздуха
из щелевых отверстий с соотношением сторон больше 20. Струя
рассматривается как плоская на расст
я х^6(24), где (2ЛО)
размер большей стороны отверстия; в последующем струя рассмат-
ривается как компактная.
Веерные струи (рис. 3.14, б) образуются при принудительном
рассеивании воздуха в плоскости на некоторый угол. Различают
полные веерные струи с утлом принудительного рассеивания 360° и
неполные веерные с углом менее 360°.
Конические струи (рис. 3.14, в) образуются при установке на
выходе воздуха из отверстия рассеивающего конуса с углом при
вершине 60 i 2,5°.
Закрученные струи (рис. 3.14, г) образуются закручивающими
устройствами или при тангенциальном подводе в воздухораспреде-
литель воздуха. Как и другие устройства, принудительно расши-
ряющие границы струи, закручивание струи предназначено для ус-
корения затухания струи и снижения скорости воздуха в струе.
В технике вентиляции обычно имеют дело с неизотермическими
струями. В таких струях из-за разности плотности воздуха в струе и
окружающего воздуха возникают гравитационные (архимедовы)
силы, соизмеримые с силами инерции. Вследствие действия этих
сил искривляется ось струи, отклоняясь от прямолинейной.
При горизонтальном или под углом к горизонту выпуске струи
охлажденная струя опускается, а нагретая - всплывает.
128
2AJ2B>20
Рис. 3.14. Вентиляционные приточные струи:
а - плоская; б - веерная; в - коническая; г - закрученная
5 Основы обеспечения микроклимата зданий
129
Неизотермические струй из-за их криволинейной траектории
часто называют воздушными фонтанами (рис. 3.15).
Рис. 3.15. Схема воздушного фонтана
Рассмотрим кратко основные закономерности распространения
приточных вентиляционных струй, ориентируясь в основном на ис-
следования И.А. Шепелева для двух видов струй: компактных и
плоских.
Независимо от геометрической формы выходные отверстия
вскоре после истечения компактной струи приобретают симметрию
относительно оси.
При рассмотрении изотермических и слабонеизотермических
струй исходят из следующих посылок.
1. Количество движения секундной массы воздуха в каждом
поперечном сечении одинаково и равно количеству движения на-
чальной массы воздуха в струе:
4 =/о.
(3.18)
2. Существует некоторый единый закон распределения скорости
в сечении струи в зоне турбулентного перемешивания. Из известных
аналитических выражений предпочтение отдается экспоненциаль-
ному закону (по Райхарду):
^=Кхехр --
(3.19)
130
где Vx - осевая скорость, м/с;
с - экспериментальная константа, равная 0,082;
х, у - координаты на плоскости, м.
Осевая скорость на расстоянии х от начального сечения:
(3.20)
где Ко - начальная скорость истечения, м/с;
Ло - площадь отверстия истечения, м2;
т - скоростной коэффициент воздухораспределителя.
т = 6,88
(3.21)
Здесь Гокр - температура окружающего воздуха, К;
То - температура в начальном сечении струи, К;
% - коэффициент местного сопротивления воздухораспредели-
теля.
3. Количество избыточной теплоты потока воздуха в попе-
речном сечении струи неизменно и равно начальному:
а=а-
(3.22)
4. Температура воздуха распределяется в поперечном сечении
струи аналогично скорости:
(3.23)
Температуру на оси струи находят по формуле
(3.24)
где п - температурный коэффициент воздухораспределителя;
5*
131
л = 5,17
(3.25)
Плоские струи истекают в пространство из длинного щелевид-
ного отверстия шириной 2В. Плоская струя, как и компактная, рас-
пространяется, перемешиваясь по пути с окружающим воздухом. В
каждом сечении устанавливаются характерные профили скорости и
избыточной температуры, описываемые уравнениями (3.19) и (3.23).
Для плоских, как и компактных струй, удовлетворяются условия
1 и 3. Отличие состоит в определении скоростного и температурного
коэффициентов, которые для плоской струи равны:
(3.26)
п = 2,49
(3.27)
Причем при определении осевой скорости и осевой избыточной
температуры по формулам (3.20) и (3.24) вместо Ао следует подстав-
лять удвоенную ширину выпускного отверстия 2В.
Конвективные струи
Наличие нагретых источников в помещениях приводит к воз-
никновению около них естественных конвективных потоков. Со-
прикасающийся с поверхностью воздух нагревается, возникает
подъемная сила, под действием которой нагретый воздух по,
ется вверх. На смену ему поступает окружающий воздух. В подни-
мающемся потоке нагретого воздуха под действием сил внутреннего
трения и в результате подмешивания окружающего воздуха форми-
руется распределение скорости и избыточной температуры, анало-
гичное приточным струям. Поэтому такое течение называют кон-
вективной струей.
На рис. 3.16 представлены схемы формирования конвективных
струй около различно расположенных поверхностей: а) у вертикаль-
ной нагретой поверхности; б) у вертикальной охлажденной поверх-
132
ности; в) над компактной или осесимметричной нагретой поверхно-
стью, заподлицо с плоскостью; г) над плоской нагретой поверхно-
стью, заделанной заподлицо с плоскостью; д) над объемной нагре-
той поверхностью источника; е) над нагретой поверхностью, распо-
ложенной в углублении; ж) над объемной нагретой поверхностью
источника (например, отопительный прибор, расположенный вблизи
вертикальной стены.
Рис. 3.16. Схема формирования конвективных струй
Конвективные потоки около горизонтальных нагретых поверх-
ностей по аналогии с приточными струями можно рассматривать как
состоящие из двух участков: разгонного (или формирования) с воз-
растающей скоростью на оси и основного - с убыванием скорости
на оси (рис. 3.17). Разгонный участок состоит из ламинарного под-
слоя, расположенного непосредственно у нагретой поверхности, и
пограничного слоя конвективной струи, состоящего из отдельных
взаимодействующих между собой нагретых струек, сформирован-
ных в сплошной поток. В конце участка формирования, характерно-
го максимальной скоростью и некоторой поджатостью струи, со-
ставляющей около 0,7D, располагается переходное сечение. Далее
расположен основной участок с симметричным относительно осевой
линии профилем скоростей и избыточной температуры, характер-
ным для турбулентных струй.
133
Рис. 3.17. Формирование конвективной струи
Длина участка формирования составляет для осесимметричных
струй (1.. .2)D, для плоских - (2.. .2,5)5. Здесь D - диаметр круглого
источника или эквивалентный диаметр прямоугольного источника с
соотношением сторон А /В -3; В - ширина вытянутого в плане ис-
точника.
В пределах основного участка конвективной струи справедливы
следующие формулы:
Kz=0,13$^,m/c;
(3.28)
- скорость воздуха на оси, где £?к = акД)(/0 ~/в), Вт - поток
конвективной теплоты от источника струи. Здесь Ао - площадь ис-
точника, м2; to - температура источника, °C; ак - коэффициент кон-
вективного теплообмена на поверхности источника, Вт/(м2-К). Зна-
чение ак можно вычислить по известным закономерностям для сво-
бодной конвекции, обычно считается ак = A%]tQ -t* , где коэффици-
ент Л равен 1,67 для вертикальных поверхностей; 2,16 для нагретых,
обращенных вверх, и холодных, обращенных вниз, и 1,16 для охла-
жденных, обращенных вверх, или нагретых, обращенных вниз.
Д/г =0,27g^3z”5/3, К
(3.29)
- избыточная температура на оси струи;
134
Lz^\S\Qfz5l3^l4
(3.30)
- расход воздуха в сечении струи на расстоянии z от источника.
Так же как и для приточной струи, для конвективной в пределах
основного участка поперечные профили скорости и избыточной
температуры в относительных единицах имеют один и тот же вид
независимо от величины z. Для скорости эти зависимости выража-
ются следующим соотношением (рис. 3.18)’.
(по Райхарду).
(3.31)
Здесь с = 0,082 - показатель турбулентности струи.
Рис. 3.18. Расчетная схема конвективной струи
Аналогичную зависимость можно записать и для избыточной
температуры:
ч
ч
(3.32)
135
Здесь параметр о = 0,8 учитывает некоторое несовпадение ско-
ростного и температурного полей.
Рассмотренные выше закономерности вентиляционных струй
относятся к свободным струям. В реальных помещениях, как прави-
ло, струи бывают стесненными ограждениями и оборудованием.
3.6. Движение воздуха около вытяжных отверстий
Скорость движения воздуха вблизи всасывающего отверстия па-
дает значительно интенсивнее, чем у приточного. Это связано с тем,
что при всасывании воздух подтекает к отверстию со всех сторон.
Наличие у всасывающих отверстий направляющих и ограничи-
вающих плоскостей позволяет получить большие скорости при оди-
наковых условиях с обычным отверстием.
Для расчета осевой скорости всасывания wx для круглых и пря-
моугольных отверстий, расположенных в плоскости стены,
воспользоваться формулами:
можно
(3.33)
wx = wo(—arctg
л
где wo - скорость в сечении вытяжного отверстия, м/с;
х - расстояние от всасывающего отверстия, м;
R - радиус отверстия, м;
А и В - половина размеров прямоугольного отверстия, м.
На значительном удалении от отверстия, когда х » R, вместо
(3.33) и (3.34) в обоих случаях получаем:
(3.34а)
Иначе говоря, скорость всасывания убывает примерно как 1/х2.
Для прямоугольных отверстий в формуле (3.34а) в качестве R нужно
принимать величину эквивалентного по площади радиуса, т.е.
136
На рис. 3.19 представлен спектр всасывания у вытяжного отвер-
стия - ряд кривых, из которых каждая является геометрическим
местом точек одинаковых скоростей. Перпендикулярные линии -
линии тока, указывающие направление движения воздуха. Здесь D =
= 2R~ диаметр отверстия, м; у - расстояние от оси всасывающего
факела (в поперечном направлении), м.
Рис. 3.19. Распределение скорости в зоне действия всасывающего
отверстия: а - спектр скорости и линии тока; б - изменения относительной
осевой скорости у круглого (7) и прямоугольного (2) отверстий
Если всасывающее отверстие имеет вид узкой щели, располо-
женной в плоскости стены, формула для расчета осевой скорости
всасывания имеет вид
137
(3.35)
.2 ВОч
и’»=и'о(-агсШт£-).
я 2х
где Bq - ширина щели, м. При х » Во, т.е. на значительном удалении
от щели, вместо (3.35) получаем:
^ = 1VO —
тех
(3.35а)
Таким образом, здесь скорость убывает медленнее - примерно
обратно пропорционально 1/х, а не 1/х2, как для круглого или квад-
ратного отверстия.
3.7. Основные способы воздухораздачи и их сравнение
Настилающиеся струи
Прилипание струи к поверхности называется эффектом Коанда.
Он вызван ограничением подмешивания воздуха из окружающей сре-
ды одной стороной струи, которая из-за этого прижимается к поверх-
ности, в том числе и потому, что скорость подмешиваемых масс воз-
духа имеет составляющую, направленную к оси струи (рис. 3.20). В то
же время для осесимметричных струй эти составляющие с разных
сторон компенсируют друг друга и не влияют на траекторию. Прили-
пание имеет место, если угол между осью струи и поверхностью пре-
вышает 160°. В дальнейшем настилающаяся струя распространяется
вдоль поверхности, ее ось параллельна поверхности и находится от
нее на расстоянии, примерно равном радиусу воздуховыпускного от-
верстия. Поперечный профиль скорости в пределах от внешней гра-
ницы струи до ее оси совпадает с профилем для свободной струи, а от
оси до поверхности скорость резко падает за счет влияния вязкости
воздуха. В углу струя поворачивает на 90° без изменения структуры.
При выпуске струи в помещение прилипание к потолку наступает
не только при размещении выпуска непосредственно у потолка, но и
на некотором расстоянии от него, если выполняется условие hBp >
> 0,65Нпом» где Япом - высота помещения, м; - высота воздухорас-
пределителя над полом, м (см. рис. 3.20). Здесь к эффекту Коанда до-
бавляется еще и возникновение разрежения в зоне между выпуском и
потолком, которое возникает из-за ограниченной возможности под-
мешивания воздуха к струе со стороны потолка. Обычно пренебрега-
138
ют несовпадением оси настилающейся струи с поверхностью и опре-
деляют расчетную длину пути струи до точки входа в рабочую зону
как х = В + (Япом-йрз), где hp3 - высота рабочей зоны, равная 2 м,
если люди в помещении стоят, и 1,5 м, если сидят; В - глубина,
помещения от стены до стены в направлении развития струи, м
(см. рис. 3.20). Используются настилающиеся струи главным образом
для вентиляции небольших помещений в общественных зданиях.
Рис. 3.20. Расчетная схема воздухораздачи настилающейся струей
Веерные струи
Веерные струи являются разновидностью настилающихся, но
они растекаются вдоль поверхности в разных направлениях от вы-
пуска. Как правило, воздухораспределители в этом случае размеща-
ются у потолка. Струя растекается по потолку, встречается с сосед-
ними, смыкается с ними и опускается в рабочую зону. В этом случае
длину пути струи до точки входа в рабочую зону можно определять
по выражению х = В/2 + (Я№М - hp3), где В - расстояние между со-
седними воздухораспределителями (сторона ячейки), м (рис. 3.21).
Применяется такая схема обычно для вентиляции помещений боль-
шой площади с повышенными требованиями к равномерности воз-
духораспределения.
139
Рис. 3.21. Расчетные схемы воздухораздачи веерными
и компактными струями
Компактные струи
туггт
Подача воздуха компактными струями используется, как прави-
ло, в высоких помещениях при Я11ОМ = 5... 15 м, главным образом в
промышленных зданиях. Тогда длина пути струи до точки входа в
рабочую зону для вертикальных струй вычисляется по формуле
* = ^пом - йрз (см- Р«С. 3.21).
3.8. Инженерный метод расчета воздухораспределения
в помещении
1, Выбираем схему подачи воздуха (см. п. 3.7) и тип воздухо-
распределителя.
2. Находим число воздухораспределителей 7V. При подаче ком-
пактными и веерными струями N - Апл/Арз, где Лрз - площадь пола,
приходящаяся на одну струю (площадь ячейки). Величина Лрз вы-
числяется как В1 2 (поскольку по определению В = ), причем оп-
140
тимальное значение В = CIH,
звгш».
3,3 для веерных струй и 1,25-2 для компактных. При подаче воздуха
настилающимися струями число воздухораспределителей выбирает-
ся обычно по конструктивным соображениям, в небольших помеще-
ниях/V- 1.
3. Вычисляем х - длину пути струи до точки входа в рабочую
зону, м, в зависимости от принятой схемы подачи воздуха.
4. Определяем расход воздуха через один воздухораспределитель
Lo - LJN, м3/ч, где Ln - воздухообмен помещения по притоку, м3/ч.
5. Осуществляем предварительный выбор типоразмеров возду-
хораспределителей по величине ориентировочного живого сечения
для прохода воздуха Лор =
3600° V * м2 ЗдеСЬ ^°р ~ РекомеВДУемая
скорость воздуха в живом сечении, м/с. Для небольших помещений
ее можно принимать в пределах 1,5-2 м/с, для высоких она может
быть и больше. Затем по каталогу подбирается воздухораспредели-
тель рассматриваемого типа с ближайшим фактическим сечением
^факт и определяются для него параметры т и п, после чего уточня-
ется величина Ко = ------фактическая скорость воздуха на
выпуске, м/с.
6. Проверяем скорость на оси струи Vx в точке входа в рабочую
зону, отклонение температуры от температуры рабочей зоны Д^ в
этой же точке и условие прилипания струи к потолку по следующим
формулам (см. п. 6.5, но с учетом неизотермичности и взаимодейст-
вия струй):
п con ’
con
Параметр Дго представляет разность температуры воздуха в ра-
бочей зоне и температуры притока: Дго = 4 - Ат
кп = ^1±(х/Н)2 - коэффициент неизотермичности. Здесь
геометрическая характеристика струи, м.
141
Знак «-» в формуле для £Соп принимается для нагретых струй,
направленных вниз, и для охлажденных, направленных вверх, когда
гравитационные силы препятствуют развитию струи, а знак «+» —
для нагретых струй, направленных вверх, и для охлажденных, на-
правленных вниз, когда гравитационные силы разгоняют струю.
- коэффициент стеснения (принимается по
справочным данным).
Вычисленные значения Ух и Atx сравнивают с максимально до-
пустимыми. Если Vx > Кдоп, увеличивают Лфакт, подбирая другой ти-
поразмер воздухораспределителя, а если А7Х > А7ДОП, необходимо Лфакт
уменьшить.
7. Проверяем условие прилипания струи. Для настилающихся
струй оно соблюдается, если х < 0,577, а для веерных при С/2 < 0,4Н.
3.9. Моделирование процессов формирования
микроклимата
Понятие и виды моделирования
Для решения практических задач, таких как оценка комфортно-
сти микроклимата или определение потребной мощности систем,
обеспечивающих микроклимат, необходимо определять распреде-
ление параметров микроклимата в объеме помещения и их изме-
нение во времени. В этом случае пользуются моделированием про7
цессов или воспроизведением их определенными методами при том
условии, что воспроизведение должно адекватно отображать усло-
вия протекания процессов в натуре.
Обычно моделирование преследует следующие цели:
- исследовательские, для углубленного изучения процессов
формирования или разработки новых технологий обеспечения мик-
роклимата;
- расчетные, для определения установочных параметров сис-
темы обеспечения микроклимата в расчетных условиях и режима
функционирования системы в эксплуатационных условиях.
Для моделирования процессов формирования микроклимата
обычно применяют три вида моделирования:
- математическое моделирование на основе решения системы
уравнений в дифференциальной или алгебраической форме, описы-
142
вающих тепловой, воздушный, влажностный и газовый режим по-
мещения;
- физическое моделирование в натурных условиях или на гео-
метрически подобных натурному объекту моделях, на которые фи-
зические процессы переносят с помощью масштабных соотноше-.
ний;
- аналоговое моделирование - разновидность физического, ко-
гда реальные процессы заменяются другими, имеющими формально
аналогичное математическое описание.
Математическое моделирование
Отсутствие вычислительных технологий в предшествующие де-
сятилетия определило основной путь изучения процессов формиро-
вания микроклимата, который состоял в натурных и лабораторных
исследованиях. Аналитические решения носили ограниченный ха-
рактер и частично основывались на данных экспериментов. В ре-
зультате обширных экспериментов был получен и обобщен имею-
щийся в настоящее время багаж знаний о физике процессов. Совре-
менные вычислительные технологии открывают широкие возмож-
ности 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 модели-
рования. В принципе можно выделить два вида математических мо-
делей - с распределенными (полностью или частично) и сосредото-
ченными параметрами.
Модель с распределенными параметрами
Модели с распределенными параметрами представляют собой
систему уравнений движения, баланса теплоты и массы газовых
примесей в дифференциальной форме в частных производных.
Система уравнений дополняется краевыми условиями, в состав ко-
торых входят граничные условия и начальные условия. Решение
системы позволяет определить трехмерное распределение пара-
метров 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 широ-
кого распространения в инженерной практике.
143
Решение системы уравнений ведут численными методами, ос-
нованными на переходе от бесконечно малых приращений коорди-
нат и времени к конечным малым приращениям. Известен ряд ре-
шений подобных задач в различных отраслях знаний. В области
обеспечения микроклимата помещений задача решалась с разной
степенью детализации ее постановки. В полном виде численное ре-
шение было получено в Институте автоматизации и проектирования
РАН А.А. Аксеновым и А.В. Гудзовским, которыми разработан уни-
версальный программный комплекс Flow Vision, предназначенный
для решения практических задач аэродинамики и тепломассопере-
носа.
Модели с частично распределенными параметрами
Модели с распределенными параметрами сложны и представ-
ляют вычислительные трудности при их реализации. При этом не
всегда бывает необходимо иметь распределение параметров микро-
климата в моделируемом объекте по всем осям координат. *'
Например, в помещениях малой площади с равномерно распре-
деленными источниками вредности достаточно анализировать рас->
пределение того или иного параметра только по одной из трех коор-
динат, совпадающей с высотой помещения.
В подобных случаях говорят о модели с частично распределен-
ными параметрами (по одной или двум осям координат). В качестве
такой модели рассмотрим систему уравнений для движущегося пото-
ка жидкости. Уравнение движения для проекции на ось х имеет вид:
—+----— ----
дх 2 дх р дх
где коэффициент потери энергии потока при движении.
Уравнение сплошности потока
gp , d(pw) 0
Уравнение баланса тепловой энергии
1 _ а^д
w дх дх (cp)wf
(3.36)
(3.37)
(3.38)
144
где at - коэффициент теплообмена, Вт/(м2 К);
F - площадь поверхности теплообмена (ограждений), отне-
-- а
сенная к 1 м длины пути воздуха, м;
f - площадь поперечного сечения движущегося потока, м2;
с - удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг-К);
/ ~ средняя по площади температура поверхностей, К.
Система уравнений дополняется граничными и начальными ус-
ловиями. В приведенной модели используются к
•3cTnTi>
ициент обмена
а и потерь энергии £, что упрощает задачу расчета. Следует иметь в
ixTuji
виду, что эти коэффициенты связаны с реальными процессами фор-
мирования микроклимата. Поэтому их значения определяют экспери-
ментально или расчетом по более сложным трехмерным моделям.
Модели с сосредоточенными параметрами
Такие модели наиболее распространены в инженерной практике,
что связано с их простотой и доступностью реализации. Суть моде-
ли 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 про-
порционально площади поверхности ограждений;
- одинаковая средняя температура поверхностей ограждений;
- одинаковая средняя по объему температура воздуха;
- одинаковая средняя концентрация вредных веществ в объеме
помещения;
- одинаковые и постоянные коэффициенты переноса (теплооб-
мена, массообмена).
Точечные модели состоят из алгебраических уравнений и пред-
назначены, как правило, для ручного счета. С их помощью опреде-
ляют теплопотери и теплопоступления в помещение, выделение
вредностей, определение установочной производительности и ре-
шают широкий круг других задач обеспечения микроклимата.
В частности, можно записать уравнение баланса конвективной
теплоты для воздуха в помещении:
+ SA.,4 fa - +ДАР, fa - ^в)/3,6 = 0, Вт; (3.39)
145
ЙХВШЕ
где бк ~ поступление в воздух помещения конвективной теплоты от
источников, Вт; А, - площадь z-й поверхности ограждения, обра-
щенной в помещение, м2; $ - температура Z-й поверхности, °C; aK i -
коэффициент конвективного теплообмена между воздухом и i-й по-
верхностью, Вт/(м2-К); Ln - объемный расход приточного воздуха,
м3/ч; /п и рп ~ соответственно его температура, °C, и плотность, кг/м3;
св - удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг-К). Целью расчета яв-
ляется вычисление температуры внутреннего воздуха /в, °C.
Значения aKt определяются по известному выражению для есте-
ственной конвекции (см. п. 2.4, 3.5): aK i = , где G - коэффи-
циент, зависящий от положения поверхности. Поскольку tB заранее
неизвестно, то и aKJ- до расчета точно не определены. Однако можно
оценить их среднее значение, пользуясь следующим приемом.
С учетом принятых допущений о равномерности распределения
конвективного теплового потока по площади ограждений можно
записать QK = > гДе £к.ср ~ средняя плотность конвективного
теплового потока через поверхности, Вт/м2. Одновременно из выра-
жения для ак / получаем tt -/в =(aK //Cf)3. Отсюда, подставляя это
выражение в исходное уравнение баланса и считая для начала £п = О,
находим, что Q, =Х(4ак.</с’)к(а^р/Сч>)^^ ’ СлеД°вательно>
«M>=<XU/<^>. ПОЭТОМУ
Если все tj известны, вычисляем /в по выражению, получающе-
муся из (3.39):
бк <хк,ср Aiti + £псврп/п /3,6
^к.ср + £псврп /3,6
(3.40)
Вместе с тем подобные модели могут быть предназначены для
решения нестационарных задач формирования микроклимата и по-
этому включают уравнения в дифференциальной форме. В качестве
примера рассмотрим модель формирования концентрации газовой
вредности в помещении, известную как уравнение воздухообмена
(подробно см. п. 2.7).
146
Уравнение баланса вредности включает поступление и расход
вредности за бесконечно малый промежуток времени dx. При этом
дисбаланс вредности вызывает изменение концентрации:
Mdx+LCndx - LCdx = VdC,
(3.41)
где M- масса газовой вредности, поступающей в помещение, мг/ч;
L - расход приточного воздуха, м3/ч;
С - концентрация вредности в воздухе помещения, мг/м3;
Сп - концентрация вредности в приточном воздухе, мг/м3;
V- объем помещения, м3.
Уравнение (3.41) написано для случая, когда температуры при-
точного и уходящего воздуха равны.
Интегрированием уравнения (3.41) можно получить, что при
бездействии вентиляции, т.е. при L = 0, концентрация вредности со
временем растет линейно:
(3.42)
Здесь Со - начальная концентрация вредности в воздухе поме-
щения (при т = 0). При работающей вентиляции получаем следую-
щую зависимость:
(3.43)
Иначе говоря, при вентилировании помещения концентрация
вредности в помещении снижается по экспоненциальному закону,
стремясь к минимальному значению для стационарного режима:
С» - Сп + М/L. Поскольку величина L рассчитывается именно исходя
из величины С», которая не должна превышать ПДК (см. п. 2.6), а
при -р-т> 3 отклонение результата, даваемого формулой (3.43), от
С», не превышает 5% и им можно в инженерных расчетах пренеб-
„V 3
речь, получаем, что время проветривания составляет т = 3— = —, где
L п
п - кратность воздухообмена.
147
Характерная модель с сосредоточенными параметрами для рас-
чета 4 в нестационарном режиме - это теория теплоустойчивости,
которая подробно рассматривается в курсе «Теплофизика зданий».
В помещениях большого объема имеет место выраженное рас-
пределение 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,
для каждой из зон составляются уравнения баланса вредностей, ко-
торые дополняют уравнениями тепло-массообмена на границе раз-
дела зон. Подобная модель называется двухзонной и представляет
собой уточнение модели с сосредоточенными параметрами.
Модели, управляющие формированием микроклимата
Начиная с 80-х гг. прошлого столетия получили распростране-
ние специальные информационные комплексы, управляющие инже*
нерным оборудованием крупных зданий общественного назначения,
таких как гостиницы, офисы и т.д. Среди прочих задач, которые ста-
вятся перед такими комплексами, важной является задача реализа-
ции 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 специаль-
ному алгоритму. При этом управляющий компьютер собирает и
анализирует информацию от метеостанции и датчиков, фиксирую-
щих параметры микроклимата во всех помещениях и параметры ра-
боты систем обеспечения микроклимата.
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 компьютере в силу большого объема вычислительных
действий.
Точность подобного рода моделей достигается за счет их иден-
тификации в натурных условиях. Имеется в виду определение всех
характеристик, определяющих тепловой, влажностный и газовый
148
режимы помещения, на основе измерений непосредственно в рас-
сматриваемом помещении.
Быстродействие модели достигается за счет ее простоты. Из-
вестны модели, состоящие из простейших балансовых уравнений
теплоты, влаги, воздуха и газовых примесей и модели типа «вход-
выход», не отражающие физическую сущность процессов.
Физическое моделирование
Математическое моделирование представляет физические про-
цессы в упрощенном идеализированном виде. В прежнее время, ко-
гда вычислительные возможности были сильно ограничены, основу
изучения процессов формирования микроклимата составляло физи-
ческое моделирование.
Физическое моделирование осуществляется в натурных услови-
ях и на геометрически подобных моделях. Натурные исследования
проводят на действующих объектах. Возможны разовые обследова-
ния и длительные наблюдения (мониторинг) за объектом.
Изучение свойств объекта в натурных условиях имеет преиму-
щество 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 осредне-
нии результатов длительного наблюдения случайные факторы, дей-
ствующие 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 перио-
дического считывания результатов с помощью дистанционного ска-
нирования. Это позволяет размещать измерители во многих точках
помещения.
Результаты измерений обрабатываются и хранятся в компьюте-
ре. Следует иметь в виду, что полномерное проведение мониторинга
микроклимата зданий и сооружений достаточно дорогостоящее ме-
роприятие.
Помимо натурных обследований возможно воспроизведение
процессов в лабораторных условиях на моделях, подобных натур-
149
ному объекту. Лабораторно-модельный метод обладает рядом пре-
имуществ 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 про-
цесс факторов;
- возможностью изучения быстро протекающих явлений, не-
уловимых 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. Зако-
номерно распространять результаты моделирования можно только
на подобные явления. Применительно к моделированию процессов
формирования микроклимата различают геометрическое, механиче-
ское и тепловое подобие.
Как известно из теории подобия, геометрическое подобие обул
словлено равенством углов и пропорциональностью сходственных
сторон в сравниваемых геометрических фигурах. Под механиче-
ским подобием понимается пропорциональность скоростей и уско-
рении двух потоков, а также подобие сил, вызывающих подобные
движения.
При тепловом подобии сохраняется подобие температуры и те-
пловых 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 й форма приточных и вытяжных отверстий в
помещении;
- скорость движения V и температура воздуха t в приточных и
вытяжных отверстиях;
- физические параметры воздуха (плотность р, вязкость у, теп-
лоемкость с, теплопроводность л, температуропроводность а = —);
Ф
- источники и стоки теплоты, влаги, паров и газов (расположе-
ние и форма, температура и концентрация, мощность).
150
Основными критериями механического подобия являются:
- Рейнольдса (Re = vZ/v), определяющий соотношение между
инерционными силами и силами вязкости, здесь I - характерный
размер объекта (длина, диаметр и т.д.);
v2
- Фруда (Fr = — ), выражающий соотношение между гравита-
gl
ционными и инерционными силами;
- Архимеда (Аг) характеризующий соотношение сил инерции и
вытеснения (см. ниже);
- Эйлера (Ей =—^-), определяющий соотношение сил давления
pv
Р и динамических сил.
Тепловое подобие определяется следующими критериями:
- Прандтля (Рг = v/a), характеризующего физические свойства
воздуха;
- Пекле тепловой (Ре - Re-Pr), аналогичный критерию Рей-
нольдса;
- Нуссельта (Nu - aZ/X), характеризующий процесс теплообме-
на на границе между телом и жидкостью.
Во многих случаях выполнить все условия однозначности ока-
зывается трудно. Здесь на помощь приходит замечательное свойство
методологии моделирования, называемое автомодельностью. Об-
ласть автомодельности - это такая область явления, в пределах ко-
торой не требуется соблюдения равенства отдельных критериев.
Наиболее распространенным явлением автомодельности, кото-
рым широко пользуются в моделировании аэродинамических и теп-
ловых процессов, служит движение жидкости в зоне турбулентного
течения. Это обстоятельство позволяет расширить возможности мо-
делирования, заменив потокораспределение воздуха в натурных
условиях потокораспределением воды. Условия подобия будут со-
блюдаться, если установлено, что течение в том и другом случаях
является развитым турбулентным., Проявлением этого условия
обычно считают Re > 2320.
Примером подобного случая может служить моделирование аэ-
родинамических процессов в гидравлическом лотке. В этом устрой-
стве движущийся поток воздуха моделируется движущимся по ра-
бочему 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
151
визуализации обычно используют алюминиевую пудру, которая
равномерно растекается по поверхности воды и не тонет.
При фотографировании модели на снимке четко видны все за-
вихрения и линии тока воды, которые оставляют движущиеся час-
тички пудры. Описанный прибор моделирует плоскую картину или
двухмерный процесс обтекания. Известны исследования потокорас-
пределения в трехмерном, объемном лотке. Например, таким спосо-
бом проводилось исследование характера обтекания здания потоком
воздуха.
Другим примером автомодельности служит процесс свободного
движения жидкости, вызванного разной плотностью. Так, при
Gr-Pr> 2 4 О7 закономерность процесса не зависит от линейного раз-
мера и температуры источника, что удобно использовать при моде-
лировании конвективных течений и струй, не заботясь о равенстве
критерия Архимеда в натуре и на модели. Здесь Gr = g0A/Z3/v2 =
~ Ar-Re2 - критерий Грасгофа, показывающий соотношение сил вы-
теснения и вязкости, где 0 - коэффициент температурного расшире-
ния (для воздуха 0 = 1/7).
Пересчет полученных на модели результатов подразумевают
использование масштабных соотношений. Наиболее понятным
является масштаб длин, равный отношению размеров объекта в на-
туре ZH и на модели ZM: т-Ц Н^.
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, на-
значаются исходя из условия равенства определяющих критериев по-
добия. Это означает, что масштабы отдельных величин должны соот-
носиться 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 про-
цессов в помещении с конвективным источником. Условие однознач-
ности, помимо соблюдения геометрического подобия, состоит в ра-
венстве критерия Архимеда в натуре и на модели Агн=Агм.
хг а
Учитывая, что Ar = g—г—
v2T
(Т - абсолютная температура, К),
получим соотношение масштабов в следующем виде:
152
mv
\!2
— m
1/2
•mt
1/2
где mv - масштаб скорости; - масштаб разности температуры;
mt - масштаб температуры.
Аналогично можно вывести соотношение для других масшта-
бов.
Аналоговое моделирование
Аналоговое моделирование - это разновидность физического мо-
делирования, в котором реальный физический процесс заменяется
другим физическим процессом, более удобным с точки зрения реали-
зации. Так, например, измерить распределение температуры в толще
наружного ограждения в реальных условиях оказывается затрудни-
тельным. Пользуясь аналогией, процесс теплопроводности в толще
ограждения можно заменить электропроводностью на модели. При-
чем электрические параметры измеряются достаточно просто.
В данном случае речь идет об электро-тепловой аналогии, ко-
торая вытекает из формально одинакового написания уравнения
теплопроводности Фурье и так называемой телеграфной функции
- уравнения распространения электрического потенциала U в про-
воднике, которое для случая двухмерного распределения потенциала
имеет вид
ЭЦ- _ 1 [ дУ
di RC fa2 ду2
(3.44)
где R - электрическое сопротивление единицы длины двухмерного
проводника;
С - электроемкость, рассчитанная на единицу длины.
Уравнение электропроводности становится тождественным
уравнению теплопроводности, если в последнем коэффициент тем-
пературопроводности численно равен электрической проводимости
1/(/?€). Для стационарной теплопередачи электротепловая аналогия
вытекает из тождественных законов Ома и Ньютона:
153
Как видно из записи уравнений, плотность теплового потока q
аналогична силе тока I, а температура - электрическому потенциалу
U и термическое сопротивление R - электрическому сопротивле-
нию . Помимо этого аналогичны тепловая и электрическая емко-
сти Ст и Сэ. Для решения практических задач используют устрой-
ства, называемые электроинтеграторами. Подробнее данный во-
прос рассматривается в курсе «Теплофизика зданий».
Вопросы для самопроверки
1. Перечислите факторы воздействия наружной среды на здание.
2. Что учитывает условная эффективная температура наружной
среды?
3. Что учитывают эквивалентная температура небосвода и ра-
диационная температура наружной среды?
4. В чем состоит различие в передаче потоков из наружной сре-
ды в помещение различными вадами ограждений?
5. В чем состоит воздействие ветра на микроклимат помещения?
6. Как изображаются процессы изменения состояния влажного
воздуха при вентиляции помещений?
7. Как изображаются процессы изменения состояния влажного
воздуха при его кондиционировании в ТП (прямоточная схема)?
8. Как изображаются процессы изменения состояния влажного
воздуха при его кондиционировании в ХП (прямоточная схема)?
9. Как изображаются процессы изменения состояния влажного
воздуха при его кондиционировании с использованием рециркуля-
ции?
10. Как изображаются процессы изменения состояния влажного
воздуха при его кондиционировании с использованием утилизации
теплоты вытяжного воздуха в ХП?
11. Что называется струей?
12. Приведите классификацию вентиляционных струй в поме-
щении.
13. Назовите основные характеристики свободной осесиммет-
ричной изотермической струи.
14. При каких условиях истечения струя становится плоской,
конической?
15. Что называют воздушным фонтаном?
16. Из каких предпосылок исходят при рассмотрении законо-
мерностей турбулентных струй?
154
17. По какому закону изменяется скорость воздуха в попереч-
ном сечении струи?
18. По какому закону изменяются осевые значения скорости и
температуры воздуха?
19. Для чего используют скоростной (т) и температурный (п)
коэффициенты воздухораспределителей?
20. В каких условиях формируются конвективные струи?
21. Каковы закономерности движения воздуха около вытяжных
отверстий?
22. Назовите основные способы воздухораздачи в помещении.
23. Как осуществляется инженерный расчет воздухораспределе-
ния в помещении?
24. Что такое моделирование процессов формирования микро-
климата помещения?
25. Назовите виды моделирования процессов формирования
микроклимата.
26. Назовите виды математического моделирования процессов
формирования микроклимата.
27. Что такое граничные и начальные условия математической
модели?
28. Какими методами решается система уравнений математиче-
ской модели с распределенными параметрами?
29. Какие основные упрощения принимают в математической
модели с сосредоточенными параметрами?
30. По какому закону происходит изменение концентрации
вредности в воздухе помещения при работе и бездействии вентиля-
ции?
31. Как определить время проветривания помещения?
32. Для каких целей служат управляющие математические мо-
дели?
33. Какие виды физического моделирования используются при
решении задач обеспечения микроклимата?
34. В чем смысл свойства автомодельности процессов?
35. На чем основано аналоговое Моделирование?
155
4. Энергопотребление и энергосбережение
при обеспечении микроклимата
Особенность систем обеспечения микроклимата состоит в том,
что они расходуют большое количество энергоресурсов, в том числе
тепловую и электрическую энергию и водопроводную воду.
Количественная оценка энергетической эффективности средств
обеспечения микроклимата исходит из величины суммарного годо-
вого расхода энергии системами. Годовой расход энергии представ-
ляется наиболее объективным энергетическим показателем, так как
именно в годовом цикле в полной мере проявляются все режимы
потребления энергии.
В течение года происходит изменение тепловой нагрузки на сис-
темы отопления-охлаждения и вентиляции, которые обусловлены го-
довым ходом параметров наружной среды и сезонной сменой пара-
метров микроклимата. Принципиально можно выделить два вида рас-
хода энергии. Первый обусловлен стабилизацией температурных ус-
ловий в помещении (расход энергии на отопление и охлаждение),
второй - связан с термодинамической обработкой воздуха в установ-
ках вентиляции и кондиционирования. В соответствии с этим воз-
можны следующие основные энергосберегающие мероприятия:
- утепление несветопрозрачных наружных ограждений до эко-
номически оптимального уровня;
- замена остекления на более энергоэффективное, в первую оче-
редь двойного на тройное. Кроме того, целесообразен переход на
двухкамерные стеклопакеты с повышенным сопротивлением возду-
хопроницанию и с селективным теплоотражающим покрытием или
пленкой в межстекольном пространстве, особенно с заполнением
этого пространства инертным газом (см. п. 2.1);
- утилизация теплоты вытяжного воздуха. Наименее затратным
является применение схемы с промежуточным теплоносителем;
- установка в системах горячего водоснабжения (ГВС) индиви-
дуальных водосчетчиков, а также применение теплонасосных уста-
новок (ТНУ) для подогрева воды и других мероприятий по сниже-
нию тепло- и водопотребления на нужды ГВС;
- установка автоматических терморегуляторов у отопительных
приборов, дающая возможность полезно использовать бытовые теп-
ловыделения, а также теплопоступления от солнечной радиации че-
рез окна;
- другие мероприятия, возможные в конкретном проекте.
156
4.1. Годовой расход энергии на отопление и охлаждение
Годовой расход энергии на отопление-охлаждение определя-
ется интегрированием во времени суток и года соответствующих
функций времени нагрузки на системы:
(4.1)
Дт
где Ат - период потребления энергии, суток; М - продолжитель-
ность суточной работы системы с учетом числа рабочих дней в не-
делю, ч.
Подстановка в (4.1) величины нагрузки, средней за время суточ-
ной работы, позволяет упростить задачу, избежав рассмотрения внут-
рисуточного изменения нагрузки. В качестве примера на рис. 4.1 по-
казана функция изменения во времени года тепловой нагрузки на сис-
тему отопления-охлаждения.
012345678 9 10 11 12 месяцы года
365 т суток
Рис. 4.1. Пример годового изменения средней за время работы нагрузки
на систему отопления-охлаждения
157
Дата начала и окончания отопительного периода соответству-
ет точкам пересечения линии тепловой нагрузки с нулевой ордина-
той. При этом площадь, ограниченная кривой Qc и лежащая ниже
нулевой ординаты, соответствует годовому расходу теплоты на ото-
пление, а площадь под кривой выше нулевой линии - соответствует
годовому расходу холода на охлаждение.
Следует иметь в виду, что расход холода - это не расход искус-
ственного холода, который потребляется для охлаждения помеще-
ния только в наиболее жаркую часть года. Остальное время охлади-
тельного периода возможно охлаждение помещения за счет «есте-
ственного холода» при относительно низкой температуре наружно-
го воздуха, особенно в ночное время.
Как видно из приведенного примера, продолжительность отопи-
тельного и охладительного периодов зависит от характера измене-
ния тепловой нагрузки и поэтому индивидуальна для каждого по-
мещения. Однако при централизованном теплоснабжении даты на-
чала и конца отопительного периода являются общими для всех зда-
ний.
Нормативный отопительный период в нашей стране определяет-
ся как период с устойчивой среднесуточной температурой ниже 4-8°.
В справочных данных продолжительность отопительного периода и
годовой расход теплоты на отопление приводятся по средним мно-
голетним климатологическим данным. В отдельные годы параметры
отопительного периода не совпадают с средними многолетними.
Так, в условиях Москвы отклонение числа градусо-суток отопитель-
ного периода от среднего достигает в отдельные годы от -26%
до +20%.
Связь величины отклонения годового расхода от среднего с час-
тотой отклонения устанавливается коэффициентом обеспеченности
годового расхода . Расчет расхода теплоты с заданной обеспе-
ченностью состоит в интегрировании соответствующих кривых го-
дового хода тепловой нагрузки на систему с заданной обеспеченно-
стью.
При интегрировании следует учитывать асинхронность рас-
пределения обеспеченности в отдельные месяцы отопительного пе-
риода. Это обстоятельство связано с тем, что появление в году или
его части месяцев с одинаковой обеспеченностью параметров кли-
мата практически невероятно. Так, из рис. 4.2 видно, что функция
распределения суммы градусо-суток за отопительный период, по-
строенная по климатологическим данным за отдельные годы (линия
158
2), существенно отличается от функции распределения (линия 1),
построенной интегрированием кривых годового хода температуры
наружного воздуха с одинаковой обеспеченностью во всех месяцах
отопительного периода.
Рис. 4.2. Сопоставление
ФУ
ПЗВШ
распределения числа градусо-суток
отопительного периода в Москве
Упрощенно потребление тепловой энергии за отопительный пе-
риод системой отопления, например на стадии технико-
экономического обоснования принципиальных решений, можно оп-
ределить так:
D„W*, МДж/г,
(4.2)
где — расчетная мощность системы отопления здания, Вт; 86 400
- число секунд в сутках; Dj -градусо-сутки отопительного периода,
К-сут, /в - средняя по зданию температура внутреннего воздуха для
расчета системы отопления; /Н5 - температура наружного воздуха
для наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92.
При оборудовании приборов системы отопления автоматиче-
скими терморегуляторами (термоклапанами) из величины QTm необ-
ходимо вычесть полезно используемые теплопоступления в поме-
щения здания. На стадии предварительных расчетов это можно сде-
лать по выражению
SLr = 86400 • д^ • • zOT • knm 1(Гб, МДж/г,
(4-3)
159
где Аот - отапливаемая площадь здания, м2, принимаемая по архи-
тектурно-строительным чертежам; qnocT - удельные теплопоступле-
ния на 1 м2 отапливаемой площади, Вт/м2, от людей, освещения и
электроприборов, приводов инженерных систем и солнечной радиа-
ции. Величину дП0Ст в общественных зданиях можно принимать в
размере 10-15 Вт/м2; zOT - продолжительность отопительного перио-
да, сут; £пост - коэффициент полезного использования теплопоступ-
лений. Он несколько меньше единицы, поскольку в начале и конце
отопительного периода, когда теплопоступления больше теплопо-
терь, даже при полном отключении системы отопления останутся
теплоизбытки, повышающие температуру в помещении и, следова-
тельно, бесполезные. По данным Е.Г. Малявиной, можно принимать
know = 0,8-0,85 для теплопоступлений от солнечной радиации, для
других видов теплопоступлений он может быть и меньше.
4.2. Годовой расход энергии на вентиляцию
Вторая часть общего расхода энергии на обеспечение микро-
климата связана с тепловой обработкой приточного воздуха. Су-
ществует многообразие схем обработки воздуха, выделим общие
принципы определения годового расхода энергии на нагрев и охла-
ждение наружного воздуха.
Исходным для определения границ режимов нагрева и охлажде-
ния вентиляционного воздуха является поле параметров внутренне-
го воздуха. Такое поле «В» (рис. 4.3) имеет вид четырехугольника и
ограничено расчетными значениями температуры и относитель-
ной влажности фв для теплого и холодного периодов года. Правая
верхняя вершина поля - расчетное сочетание параметров для теп-
лого (летнего) периода «Л», а левая нижняя вершина - для холодно-
го (зимнего) периода года «3».
Помимо поля внутренних параметров для анализа энергопо-
требления следует рассмотреть поле параметров наружного воздуха
«Н». Поле, изображенное на рис. 4.3, представляет собой сочетание
температуры tH и относительной влажности фн наружного воздуха,
наблюдавшееся в метеосети рассматриваемой местности. Поле огра-
ничено линией, называемой границей наружного климата. Такое по-
ле аналогично t - ф -диаграмме (см. рис. 1.12), отличие в том, что
f-ф-диаграмма - это метеоданные, систематизированные по по-
вторяемости.
160
d
Рис. 4.3. Поля внутреннего, приточного и наружного воздуха
в /-^/-диаграмме
Наложим поле внутренних параметров «В» на поле наружных па-
раметров «Н». Проведем через вершины поля «В» линии тепловлаж-
ностного отношения в помещении еп. Отложив на линиях £п реко-
мендуемую разность температуры внутреннего и приточного воздуха,
получим поле требуемых параметров приточного воздуха «П».
Положение линий постоянного теплосодержания, проходящих
через вершины поля «П», и определяет границы режимов энергопо-
требления на обработку наружного воздуха (рис. 4.4). Область пара-
метров наружного воздуха, лежащая выше изоэнтальпы 1Х, соответ-
ствует режиму охлаждения наружного воздуха. При 72 < 7Н < 1Х
система находится в переходном режиме, ни теплота, ни холод не
потребляются. В области параметров наружного воздуха, лежащих
ниже линии 1Х, система работает в режиме нагрева наружного воз-
духа.
Если через вершины поля «П» провести не только линии посто-
янной энтальпии, но и линии d = const, можно определить в зависи-
мости от текущего положения точки Н наиболее рациональные спо-
6 Основы обеспечения микроклимата зданий
161
собы обработки воздуха, требующие минимальных энергозатрат.
Для прямоточной системы кондиционирования воздуха это показано
на рис. 4.5.
Граница
климата
ф=100%
Рис. 4.4. К определению зоны охлаждения и нагрева наружного воздуха
В зоне 1 на рис. 4.5 наружный воздух уже имеет параметры, не-
обходимые для притока, поэтому какой-либо специальной обработ-
ки воздуха там не требуется. Зона 2 соответствует сухому нагреву
наружного воздуха в поверхностном воздухонагревателе (калорифе-
ре), зона 3 - адиабатному (изоэнтальпийному) увлажнению и охла-
ждению, в зоне 4 требуется нагрев и увлажнение, в зоне 5 - сухое
охлаждение наружного воздуха в поверхностном воздухоохладителе
и, наконец, в зоне 6 требуются охлаждение наружного воздуха с его
осушкой.
На рис. 4.6 изображен пример годового хода теплосодержания
наружного воздуха Ц т, среднего за рабочее время системы венти-
ляции или кондиционирования воздуха.
162
в*
о
Рис. 4.5. К определению наиболее рационального режима работы
прямоточной СКВ в течение года
Рис. 4.6. К определению годового расхода энергии на вентиляцию
163
На графике годового хода показаны линии 1Х,12 которые огра-
ничивают область годового расхода холода и тепла на обработку
наружного воздуха. Пересечение линии 1Х с линией теплосодержа-
ния наружного воздуха определяет даты начала и конца периода
охлаждения т1н,т1дс. При этом годовой расход холода на охлажде-
ние наружного воздуха определяется по формуле
т]к
(4.4)
где GH - расход наружного воздуха, кг/ч.
Пересечение линии 12 с линией Z дает даты начала и конца
периода нагрева наружного воздуха т2>н, т2к. Годовой расход тепло-
ты на нагрев наружного воздуха равен
хк
Q»em=M fGH(Z2-/HT)t/T.
(4.5)
В рассмотренном примере в качестве климатологической ин-
формации принят годовой ход средней за рабочее время энтальпии
наружного воздуха. Использование информации в таком виде упро-
щает проведение расчетов годового расхода, иначе пришлось бы
использовать кривые годового хода теплосодержания для каждого
часа работы системы ZHT и, проведя с ними все описанные выше
действия, суммировать результаты.
Используя /-ф-диаграмму, можно нанести на поле рис. 4.3 так
называемую климатическую кривую, соединяющую точки на I-d-
диаграмме с наиболее вероятными сочетаниями t и ф. Она проходит
от точки, изображающей параметры «Б» для холодного периода го-
да, до точки с параметрами «Б» в теплый период. Климатическая
кривая позволяет вычислить годовой расход теплоты на нагрев на-
ружного воздуха более упрощенно, чем по формуле (4.5). Схема по-
строения и расчета показана на рис. 4.7. Жирной линией показан ос-
новной процесс обработки воздуха в расчетных условиях холодного
164
периода (см. рис. 3.10, а, вариант 1). Далее наносим на диаграмму
изотермы с некоторым интервалом (обычно через 5°) и получаем
на их пересечении с климатической кривой соответствующие точки
состояния наружного воздуха Н/. Затем из точек Hf проводим линии
d - const до пересечения с отрезком К-П', находим соответствую-»
щие точки окончания процесса нагрева К, и определяем по построе-
нию температуры в этих точках 4,.
Рис. 4.7. Схема построения на /-^-диаграмме для расчета годового
потребления тепловой энергии на нагрев наружного воздуха
с использованием климатической кривой
После этого годовое энергопотребление вычисляется по сле-
дующей формуле:
geHr=G1I.CB(l-^).10-3X(K-<Iuh)> МДж/г, (4.6)
165
где Zi - число часов стояния наружной температуры в интервале от
4/ до 4f+i, определяемое по климатическим данным; Gn - массовый
расход нагреваемого воздуха, кг/ч, Gn = £п-рв, где £п - объемный
расход притока, м3/ч, а плотность воздуха рв можно принимать рав-
ной 1,2 кг/м3; св = 1,005 кДж/(кг-К) - удельная теплоемкость возду-
ха; параметр представляет собой коэффициент температурной
эффективности теплоутилизатора (при наличии в рассматриваемом
варианте утилизации теплоты), определяемый по расчету теплоути-
лизационного оборудования. На стадии предварительных вычисле-
ний можно принимать Дф ® 0,4-0,5 для систем с промежуточным
теплоносителем, 0,5-0,55 - для пластинчатых перекрестноточных
теплообменников и 0,7-0,8 - для вращающихся (роторных) регене-
раторов (см. п. 3.1). Аналогично можно провести построение и рас-
чет и для определения расхода холода в теплый период.
Ориентировочно потребление тепловой энергии за отопитель-
ный период системой вентиляции, например на стадии технико-
экономического обоснования принципиальных решений, можно оп-
ределить так:
=ZP Сгп -с, Dd .(l-^).io-3, МДж/г, (4.7)
где Zp - число часов в сутки, когда отопительное или вентиляцион-
ное оборудование работает; Dd - градусо-сутки отопительного пе-
риода (см. п. 4.1). Остальные обозначения соответствуют принятым
в формуле (4.6).
Вопросы для самопроверки
1. Какой показатель служит для объективной оценки энергети-
ческой эффективности средств обеспечения микроклимата?
2. Назовите основные энергосберегающие мероприятия при
обеспечении микроклимата зданий.
3. Из каких частей состоит годовой расход энергии на обеспече-
ние микроклимата?
4. Как определяется продолжительность отопительного и охла-
дительного периодов и годовой расход теплоты или холода?
5. С каким фактором связано понятие распределенности годово-
го расхода теплоты на отопление в отдельные годы?
166
6. Как определить годовой расход теплоты на отопление с уче-
том обеспеченности?
7. Как приближенно найти годовой расход теплоты на отопле-
ние?
8. Каким образом определяются зоны энергопотребления на об*-
работку вентиляционного воздуха?
9. Каковы величины теплосодержания воздуха, определяющие
зоны потребления холода и тепла на обработку вентиляционного
воздуха?
10. Чем характерен переходный период энергопотребления сис-
темами обеспечения микроклимата?
11. Как определить наиболее рациональные режимы работы сис-
темы кондиционирования воздуха в течение года?
12. Как в общем случае определяется годовой расход теплоты и
холода на обработку воздуха?
13. Что такое климатическая кривая и как ее можно использо-
вать для расчета годового расхода теплоты и холода на обработку
воздуха?
14. Как ориентировочно найти годовой расход теплоты на на-
грев наружного воздуха?
167
5. Приложения
5.1. Примеры расчета теплопотерь через ограждения
для некоторых помещений
Рассмотрим расчет теплопотерь для подвального помещения
(кладовой), расположенного в общественном здании в Москве. В этом
случае расчетная температура наружного воздуха в ХП по параметру
«Б» (/н5) равна -28 °C (СНиП 23-01-99*, издание 2004 г.). Расчетную
температуру внутреннего воздуха для определения мощности систе-
мы отопления в ХП (4.от) принимаем +16 °C - в пределах допустимого
диапазона для помещений 6-й категории по ГОСТ 30494-96 , к кото-
рым относится кладовая, но на 2° выше минимальной из допустимых
во избежание появления значительной разности температур с сосед-
ними помещениями. Разрез и план помещения представлены на
рис. 5.1 и 5.2. Конструктивные характеристики ограждений и расчет
коэффициентов теплопередачи приведены в табл. 5.1. Результаты
расчета теплопотерь через ограждения сведены в табл. 5.2.
Рис. 5.1. Разрез подвального помещения (кладовая)
Рис. 5.2. План помещения кладовой
168
Таблица 5.1
Характеристики ограждений и расчет коэффициентов теплопередачи
Конструкция наружной сте слоев изнутри' ны (нумерация Теплопроводность материа- ла слоя А,-, Вт/(м-К), по прил. Д СП 23-101-2004 Сопротивление слоя теплопере- даче /?CT, м2-К/Вт (=зда Примечание
№п/п Наименование мате- риала Толщина слоя б„м
1 Штукатурка 0,02 0,87 0,023
2 Кладка из глиняного кирпича 0,38 0,81 0,469
3 Плита минераловатная 0,14 0,048 2,917
4 Штукатурка 0,03 0,87 0,034
Коэффициент теплотехнической однородности НС г = 0,8 2,755 м2К/Вт
Общее сопротивление теплопередаче слоев стены, равное дополнительному сопротивлению утепляющего слоя для НС в грунте с учетом теплотехниче- ской ОДНОРОДНОСТИ г£/?сл = /?УТ.СЛ1
Суммарное сопротивление стены теплопередаче Ro =(ЕЯсл + 1/ав + 1/оСнк 2,881 м2К/Вт >2,7 по табл. 4 СНиП 23- 02-2003
Коэффициент теплопередачи стены Кт = MRO 0,347 Вт/(м2К)
Окончание табл. 5.1
Конструкция пола подвала по лагам
№ п/п Наименование материала Толщина слоя 8/,м Теплопроводность материала слоя К, Вт/(м-К), по прил. Д СП 23-101- 2004 Сопротивление слоя теп- лопередаче 2?сл, м2-К/Вт (=*А) Примечание
5 Деревянный настил 0,045 0,18 0,25
6 Воздушная прослойка 0,15 — 0,19 По табл. 7 СНиП 23-02-2003
7 Шлак 800 кг/м3 0,05 0,26 0,192
Общее сопротивление теплопередаче слоев пола, равное дополнительному сопротивле- нию утепляющего слоя для зон пола по грунту ПлП - ПлГУ ZRg, - /?уг.сл2 0,632 мМс/Вт
Окно: тройной стеклопакет из обычного стекла 4хбх4х6х4
♦) Поскольку площадь окна не вычитается из площади стены, необходимо вычитать Ккс из
•Кок 0,51 м-К/Вт
1,961 Вт/(м2-К)
1С^КЖ-Кт 1,614* Вт/(м2К)
Расчет коэффициентов теплопередачи зон пола по грунту:
*) по табл. 4 СНиП 23-02-2003
Зона пола по грунту jRHy, м2,К/Вт, для неутеп- ленного пола (А.Н. Скана- ви, Л.М. Махов) Яуг.пЛ, М2-К/Вт, для утеп- ленного пола Формула Коэффициент теплопере- дачи для утепленного пола Лут.пл — 1//?уГ.ПЛ Вт/(м2-К)
НС в грунте 2,1_ 4,855 /?яу + /?ут.сл1 Г 0,206
Пл I 2,1 3,224 £3,05)* . 0,310
ПлП 4,3 5,820 1,18(1?^ -^утлуй) ДЛЯ пола по лагам Г 0,172
Пл III 8,6 10,894 0,092
Пл IV 14,2 17,502 0,057
Таблица 5.2
Расчет теплопотерь через ограждения для помещения кладовой
№ поме- щения Наиме- нова- ние поме- щения И ^в.от, °C Характеристика ограждения Рас- четная раз- ность темпе- рату- ры, (^в-?н) Основ- ные тепло- потери бо,Вт Добавки Коэффициент (1+SP) Теп- лопо- тери через огра- жде- ния 0тп,Вт Теплопотери
На- имено- вание Ори- ента- ция Разме- ры а*Ъ, м Пло- щадь А, м2 Коэф- фици- ент тепло- переда- чи К, Вт/(м2- К) На ори- ента- цию Про- чие при инфильтра- ции Q», Вт 1 Общие Q0T, Вт i
ПОДВАЛ
001 Кладо- вая НС 3 6 1 6 0,347 44 91,62 0,05 0,05 1,1 101
+16 С НС С 4 1 4 0,347 44 61,08 0,1 0,05 1,15 70
НС v (при- ямок) С 1,6 0,9 1,44 0,347 44 21,99 0,1 0,05 1,15 25
ТО С 1 1,2 1,2 1,614 44 85,20 0,1 0,05 1,15 98
*) Площадь - за вычетом приямка НС в грунте 9 1,5 12,06» 0,206 44 109,31 0 0 1 109
Пл! - 5,5 0,5 2,75 0,310 44 37,53 0 0 1 38
Пл1а * 3,5 0,5 1,75 0,310 44 23,88 0 0 1 24
ПлII - 5 2 10 0,172 44 75,60 0 0 1 76
ПлПа - 1 2 2 0,172 44 15,12 0 0 1 15
ПлШ •ч 3 1 3 0,092 44 12,12 0 0 1 12
Итого 568
Рассмотрим также расчет теплопотерь для помещения лестничной
клетки, расположенной в общественном здании в Москве. Так же, как и
для кладовой, считаем /Н5 = -28 °C, а расчетную температуру внутрен-
него воздуха для определения мощности системы отопления в ХП (4,от)
принимаем +16 °C - в пределах допустимого диапазона для помещений
6-й категории по ГОСТ 30494-96*, к которым относится лестничная
клетка, но на 2° выше минимальной из допустимых во избежание появ-
ления значительной разности температур с соседними помещениями.
Разрез и план помещения представлены на рис. 5.3. Результаты расчета
теплопотерь через ограждения сведены в табл. 5.3. Туда же включены
конструктивные характеристики ограждений, отличающиеся от ис-
пользованных в расчете кладовой, и расчет коэффициентов теплопере-
дачи, а также пояснения к выбору размеров ограждений.
Рис. 5.3. План и разрез помещения лестничной клетки
5.2. Методика расчета теплопотерь на нагрев
инфильтрующегося наружного воздуха
Исходные данные
Температура наружного воздуха tH и средняя по зданию темпе-
ратура внутреннего воздуха /в, скорость ветра в ХП Гн, м/с. Значения
Гн и Гн принимаются для ХП по параметрам «Б».
172
Таблица 5.3
Расчет теплопотерь через ограждения для помещения лестничной клетки
№ поме- ще- ния Наимено- вание помеще- ния и гв.от, °C Характе ристика ограждения Расчет- ная раз- ность темпе- ратуры, (Гв-4)хи Основ- ные теплоп отери Со, Вт Добавки р Коэффициент (I+SP) Теп- лопо- тери через огра- жде- ния Стл, Вт Теплопотери
Наиме- нование Ориентация Разме- ры ах Ь, м Пло- щадь Л,м2 Коэф- фици- ент тепло- пере- дачи К, Вт/(м2- К) На ори- ента- цию Про- чие при инфильтра- ции Q„, Вт Об- щие Сот, Вт
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
ПО ДВАЛ
А ЛК НС* С 33 11 31,68 0,347 44 483,77 0,1 0 1,1 1 532
16 ДО С U 1 1,2 1,614 44 85,20 0,1 0 к 1Д 94
ДОх2 шт. С 1Д 1,6 3,84 1,614 44 272,66 0,1 0 1,1 300
2,97 = 0,27Н = = 0,27x11 ДД с 1,6 23 3,52 2300 44 356,22 0,1 2,97 4,07 1450
0,025 = = 0,1 х (2,5-1 )/6 Пт (С) 33 6,5 20,8 0378 44 25432 0,025 0 1,025 261
Вс.ч - 33 2,5 8 1,441 39,6 = = 44x0,9 456,48 0 0 1 456
1,75 = (1+2,5)/2 Вс.чх2 шт. • 63 1,75 22,05 1,441 39,6 1258,18 0 0 1 1258
Окончание табл. 5.3
1 2 3 4 Г 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15
Вд.ч - 0,8 2 1,6 1,459 39,6 92,45 0 0 1 92
- НС в грунте - 3,2 2 6,4 0,206 44 58,01 0 0 1 59
ПлП-IV рассм. как неутепленные ПлП • 33 2 6,4 0,233 44 65,49 0 0 1 65
ПлШ - 3,2 2 6,4 0,П6 44 32,74 0 0 1 33
2,3 = (6,3-2-2) miv - 3,2 2,3 7,36 0,070 44 22,81 0 0 1 23
2.7 - до низа утеп- лителя Вс.п - 32 2,7 8,64 1,280 26,4= = 44x0,6 292,06 0 0 1 292
Вс.пх2 шт. - 6,3 2,7 34,02 1,280 26,4 1149,97 0 0 1 1150
Вд.п - 0,8 2 1,6 1,620 26,4 68,41 0 0 1 68
Ито- го 6133
*) Площадь наружной стены вычисляется за вычетом наружной двери, т.е. Лнс в 3,2* 11 -1,6x2,2
ДД: наружная двойная дверь с тамбуром, Кт =
Пт: Лпт = 3,6 м2К/Вт (табл.4 СНиП 23-02-2003); Кт = \/Rm =
Внутренние стены: чердак = 0,694 м2-К/Вт /Сс.ч = 1/Як.ч =
подвал Лвсп = 0,781 м2-К/Вт; Kwn = 1/Лвсп =
Внутренние двери: Л*вд -
чердак: = Л*вд - Кжя =
подвал: ^вд
2,3
0,278
1,441
1,280
2,9
1,459
1,620
Вт/(м2-К)
Вт/(м2-К)
Вт/(м2-К)
Вт/(м2-К)
Вг/(м2-К)
Вт/(м2*К)
Вт/(м2-К)
п=0,9
п =4), 6
и =0,9
п=0,6
Коэффициенты теплопередачи наружной стены, окон и наружной стены в грунте приняты как в примере расчета для подвального поме-
щения (кладовки).
Характеристики здания
высота здания - Я, м; длина - Ц м; ширина - В, м; Ло.н, Ло.бь
Ло.б2, Аол — площади остекления наветренного, 1-го и 2-го боковых и
заветренного фасадов, м2 - определяются по чертежам;
экономайзерный коэффициент Аэ - принимается в зависимости
от конструкции окна из курсовой работы по дисциплине «Теплофи-
зика зданий»;
Л/э - высота от уровня земли до центра окна z-ro этажа, м;
сопротивление воздухопроницанию окон Яи.ок, м^ч/кг, принима-
ется из курсовой работы по дисциплине «Теплофизика зданий»;
средние величины аэродинамических коэффициентов фасадов
по СНиП 2.01.07-85*
наветренный фасад - Са = 0,8;
заветренный фасад - С3 = -0,6;
боковой фасад - Сб принимают равным Сн или -0,4.
Предварительные вычисления
Плотность воздуха снаружи здания: рн =
353
273+4
кг/м3.
Плотность воздуха в здании: рв =
353
273+4
о
кг/м .
Разность удельного веса воздуха снаружи и в здании:
Ду = 9,81-(рн-рв),Н/м3.
Максимальная величина избыточного гравитационного давле-
ния на уровне земли: Рт = Н • Ду, Па.
Избыточное ветровое давление на наветренном фасаде:
Избыточное ветровое давление на боковом фасаде:
V2
^=(сб-сз)Рн~.Па.
175
Алгоритм расчета
1. Принимаем направление ветра на 1-й фасад.
2. Вычисляем избыточное давление воздуха в здании Ро, Па:
Л) - Л»г+ Л)р »
где Р0г=0,5Рг - гравитационная составляющая Ро;
Рог = ^°~н * ^~61 + ^°'62 - ветровая составляющая
4) .н + 4).б1+ 4).б2 + 4).з
(В.П. Титов).
По сравнению с простейшим способом определения Ро, приве-
денным в п. 2.2, данная формула учитывает влияние на Ро направле-
ния ветра и распределения остекления.
3. Вычисляем избыточное давление воздуха с наветренной сто-
роны здания на уровне центра окон каждого этажа.
РН^Э ^НГ^'^Ин» ^НГ 5 Па,
и то же для боковой стороны:
^нга.б ^нг ’ Па.
4. Вычисляем расчетную разность давления с двух сторон окон
каждого этажа на наветренной стороне.
ЛР — Р — Р Пя-
(э * шэ 0 » 1Л<*>
и то же для боковой стороны:
Д^/э.б ~Лпэ.б > Па.
Если Драили АР/э.б>0, то продолжаем вычисления с п. 5 по п. 8.
5. Вычисляем расход воздуха, проходящего через 1 м2 окна на
каждом этаже для наветренной и боковой сторон:
£>ИНфлЭ п
*Т1.ОК
1
^инф.й.б — п
*Т1.ОК
кг/(ч-м2).
176
6. Вычисляем удельный поток теплоты на нагрев инфильтрую-
щегося наружного воздуха на каждом этаже для наветренной или
боковой сторон:
^инфлэ 0,278 • • св • (^в /ц) • Аэ,
^инфлэ.б “ 0,278 • ^цнф./э.б ’ * Ов — ^н) * 9 Вт/м^.
7. Повторяем все расчеты, принимая направление ветра на дру-
гие фасады здания.
Результаты удобнее представить в виде заполненных таблиц
(см. пример ниже).
8. Вычисляем теплозатраты на инфильтрацию по помещениям
Qh, Вт:
а) если помещение выходит на один фасад, то:
ви ^инфлэ •Z4k.
где <7ИНфЛЭ берется для соответствующего этажа из варианта, когда
наветренным является фасад, на который выходит помещение;
2ЛОК - суммарная площадь окон в помещении, м2.
б) если помещение выходит на два или более фасада: сравнива-
ем варианты суммарных теплозатрат на инфильтрацию при различ-
ных направлениях ветра, например:
Q1 ^инфлэ ’ 'А + ^инф./б ’ ^2 »
Q1 ^инф.1Э * ^2 + ^инф./б * 4 •
Здесь А\ и А2 - площадь окон в, помещении, выходящих соответ-
ственно на 1-й и 2-й фасад, м2; индексы 1 и 2 у значений ^ИНф озна-
чают номера вариантов.
5.3. Пример расчета инфильтрационных теплопотерь
Общественное двухэтажное здание: амбулатория на 100 посе-
щений в смену с аптекой IV группы в конструкциях.
177
Район строительства - г. Краснодар. Температура наружного
воздуха в ХП по параметрам «Б» 4,5 = -19 °C (СНиП 23-02-2003, из-
дание 2004 г.), средняя по зданию температура внутреннего воздуха
в ХП для расчета системы отопления tB = +18 °C (ГОСТ 30494-96*).
Характеристика здания
Высота Н = 7,7 м; длина L = 27 м; ширина В = 27 м, площадь
остекления фасадов Ло.н = 15,12 м2; Ло.б1 - 12,96 м2; Ло.б2 = 10,8 м2;
Ло.3= 19,44 м2.
Сопротивление окон воздухопроницанию: ЯИОК=0,26 м2-(ч/кг).
Экономайзерный коэффициент, учитывающий влияние встреч-
ного теплового потока в конструкции окна: Аэ= 0,8.
Средние величины аэродинамических коэффициентов фасада -
по СНиП 2.01.07-85*:
наветренный фасад -Сн = +0,8;
заветренный фасад -С3 = -0,6;
боковой фасад -Сб = -0,4.
Предварительный расчет
Плотность воздуха снаружи:
Рн
353
273+ (-19)
= 1,4 кг/м3.
Плотность воздуха в здании:
353
273 + 18
= 1,2 кг/м3.
Разность удельного веса воздуха снаружи и в здании:
Ду = 9,81 • (ри - рв ) = 9,81 х (1,4 -1,2) = 1,962 Н/м3.
Максимальная величина избыточного гравитационного давле-
ния на уровне земли:
Рг=ЯДу = 7,7x1,962 «15,1 Па.
Избыточное ветровое давление на наветренном фасаде:
178
PVll = (0,8 - (-0,6)) -1,4—« 24,5 Па.
Xr
Избыточное ветровое давление на боковом фасаде:
5
=(-0,4-(-0,6))-1,4-—-» 3,5 Па.
X
Направление ветра на 1-й фасад (ЮВ)
1. Вычисляем внутреннее избыточное давление воздуха в зда-
РОг = 0,5Рг = 0,5-15,1« 7,55 Па,
24,5-15,12 + 3,5-12,96 + 3,5-10,8
15,12 + 12,96+10,8 + 19,44
Ро = РОг +Р0Г =7,55 + 8,3 = 15,85 Па.
2. Вычисляем избыточное давление воздуха с наветренной сто-
роны здания на уровне центра окон каждого этажа.
1этаж: Рнг =(7,7-2)-1,962 «11,2 Па,
Рн1э=Рнг+РГн=П,2 + 24,5 = 35,7 Па;
Пэтаж: Р№ =(7,7-5,3) 1,962 «4,7 Па,
Рн1э = Рет + Рук = 4,7 + 24,5 = 29,2 Па;
боковой фасад:
1этаж: РН1Э = РНГ +РГб = 11,2 + 3,5 = 14,7 Па;
П этаж: Рн2э = Рнг + Р^ = 4,7 + 3,5 = 8,2 Па.
3. Вычисляем расчетную разность давления с двух сторон окон
каждого этажа:
1этаж: ДР1Э =РН1Э-Ро =35,7-15,85 = 19,85 Па;
П этаж: ЛР2э = Лзэ ~ Л) = 29,2 -15,85 = 13,35 Па.
179
Так как ДРЭ >0, продолжаем расчеты
боковой фасад:
I этаж: ДР1эб = Рн1эб - Ро = 14,7 -15,85 = -1,15 Па;
II этаж: ДР2эб = -Ро = 8,2-15,85 = -7,65 Па.
4. Вычисляем расчет воздуха, проходящий через 1 м2 окна на
каждом этаже (только для наветренной стороны, поскольку на боко-
вой стороне для обоих этажей ДР < 0):
1 85^
1этаж: gHHdjl3 =----—-— «6,07 кг/(ч-м2);
«инфЛэ 0,26 10 J V h
„ 1
Пэтаж: g^.^ —
u,zo
r13 35^
—-— «4,66 кг/(ч-м2'
I 10 J
5. Вычисляем удельный поток теплоты на нагрев инфильтрую-
щегося наружного воздуха:
I этаж: ^№ф 1э = 0,278 • 6,07 • 1,005 • (18 - (-19)) • 0,8 = 50,2 Вт/м2;
Пэтаж: 0гафЛэ =0,278-4,66 1,005 (18-(-19)) 0,8 = 38,5 Вт/м2.
Аналогично вычисляем для других направлений ветра, резуль-
таты сводим в табл. 5.4, 5.5.
Таблица 5.4
Расчет избыточного давления воздуха в здании
№ фас. я, м B,L, м fост Я()г , Па ^ОУ » Па л, Па
1 7,7 27; 27 207,9 15,12 0,073 7,55 8,3 15,85
2 7,7 27; 27 207,9 12,96 0,062 7,55 7,5 15,05
3 7,7 27; 27 207,9 19,44 0,094 7,55 9,6 17,15
4 7,7 27; 27 207,9 10,8 0,052 7,55 6,6 14,15
X = 58,32
Примечание: — коэффициент остекленности i-ro фа-
^фасл
сада (контрольная величина), ЛфаС./ = Н*В или H*L - площадь /-го
фасада.
180
Таблица 5.5
Расчет удельных потерь теплоты от инфильтрации
Этаж м ^ИГ> Па Па ft &<кф.Ь > кг^ч-м2) Зинф.Ь > Вт/м2 Д^э.б » Па ^инф./э.б > Вт/м2
1 2 11,2 35,7 19,85 20,65 18,55 21,55 6,07 6,2 5,8 6,4 50,2 51,3 48 52,9 -1,15 -0,35 -2,45 +0,55 1 1 ।
2 5,3 4,7 29,2 13,35 14,15 12,05 15,05 4,66 4,8 4,4 38,5 39,7 36,4 42,2 -7,65 -6,85 -8,95 -5,95 —
Таким образом, инфильтрация на боковых сторонах имеет место
только в варианте, когда наветренным является 4-й фасад, и только на
1-м этаже. Это следует из того, что у 4-го фасада минимальная пло-
щадь остекления и, следовательно, в варианте с 4-м наветренным фа-
садом будет минимальное значение Рок, а значит, максимальные ДР.
5.4. Пример расчета поступлении теплоты, влаги
и углекислого газа в помещение общественного здания
Исходные данные
Общественное двухэтажное здание: амбулатория на 100 посе-
щении в смену с аптекой IV группы в конструкциях, рассмотренное
в п. 5.2.
Район строительства - г. Краснодар.
Помещение № 1 (зал обслуживания населения).
Размеры: 18,29 (площадь пола)*3,3 (высота) м. В помещении
находятся: 7 посетителей (3 женщины, 4 мужчины) и 1 продавец
(жег
ПЛИ
яа), т.е. всего 4 женщины и 4 мужчины. Расчетные парамет-
ры наружного и внутреннего климата приняты для рассматриваемо-
го района строительства и с учетом категории помещения по ГОСТ
30494-96* и требований СНиП 41-01-2003.
Тепло-, влаго- и газовыделения от людей
Расчеты. К
ициент снижения теплопоступлений от людей:
Лжей = 0,85; = 1. Категория работы - легкая.
181
Явная теплота:
ТП /в = 30,4 °C = Гна + 3 = 27,4 + 3 (по СНиП 41-01-2003 при
4а > +25° разрешается принимать допустимую tB по-прежнему на
уровне /нА + 3, т.е. выше, чем +28°, но не более чем до +33°); q4A -
= 37,6 Вт/чел (по табл. 1.1).
Q™ = Ък., N П = 37,6-4• 0,85 +37.6-4-1 = 278,2 Вт.
Здесь /V- число людей соответствующего пола и возраста и с
данной категорией работы.
ПП t= 18 °C; q= 108,2 Вт/чел.
D * & ЧлЛ *
&, = JX, - П = Ю8,2- 4 - 0,85 +108,2 • 4-1 = 801 Вт.
ХП /, = 20 °C; = 99 Вт/чел.
б,, = £?,, •Лг-'П = 99-4-0,85+99-4-1 = 732,6 Вт.
Полная теплота:
ТП /в = 30,4 °C; q^n = 145 Вт/чел (по табл. 7,7).
еч.„ = -/У-П = 145-4-°,85+145-4-1 = 1073 Вт.
ПП t= 18 °C; а = 153,3 Вт/чел.
D •'Л. ЧД1
би, = 29™-^ = 153,3-4-0,85+153,3-4-1 = 1135 Вт.
ХП /, = 20 °C; 9^= 151 Вт/чел.
0м=^9ад Д/-т| = 151-4-0,85+151-4-1 = 1117,4 Вт.
Скрытая теплота и влага:
ТП
_ 3,6-(1073-278,2)
2500+1,8-30,4
«1,12 кг/ч.
182
™ 3,6 (1135-801) л. .
ПП Мт =-------------------- «0,5 кг/ч.
вп 2500 + 1,8-18
вп 2500 + 1,8-20
Углекислый газ:
МСо2 = 2 тсо2 * • т];в нашем случае тС02 = 25 л/(ч-чел) (в покое
-18 л/(ч-чел), при работе средней тяжести - 35, при тяжелой - 50).
Мсо^ = 25 • 4 • 0,85 + 25 • 4 • 1 = 185 л/ч для всех периодов года.
Теплопоступления от искусственного освещения, приборов
системы отопления и теплопотери в режиме вентиляции
Искусственное освещение:
п. 2.4)
В нашем случае Ат = 18,29 м2, Е = 150 лк по табл. 2.4, а для ап-
_ Q
теки, #осв = 0,087 по табл. 2.4 при площади помещения до 50 м и
высоте помещения до 3,6 м. Принимаем светильники преимущест-
венно прямого света и берем среднее значение между светильника-
ми прямого и диффузного света. К
ициент А
WI3
= 0,45 (считаем,
что светильники находятся в вентилируемом подвесном потолке).
Тогда босв =150-18,29-0,087-0,45«107,4 Вт.
Теплопоступления от приборов системы отопления:
t -t™
ср.оп в.вент
от ~~ 7
*ср.оп — *в.от
где бот - расчетная величина теплопотерь помещения, т.е. мощность
системы отопления в помещении (из таблицы расчета теплопотерь),
Вт; Свент “ температура воздуха в помещении в холодный период
года для режима вентиляции или кондиционирования воздуха (из
таблицы расчетных параметров внутреннего воздуха), °C; Гв.от - то
же, для режима отопления (из таблицы расчета теплопотерь), °C;
^ср.оп - средняя температура теплоносителя в отопительных приборах
при расчетных наружных условиях для отопления (параметры
183
t +t
«Б»), °C; где tr и t0 - температура воды в подающей и
обратной магистралях системы отопления, °C. Для предварительных
расчетов можно принять Го = 70 °C, a tr = 95 °C, кроме детских садов,
яслей и больниц, где нужно принимать 85 °C.
еот=862Вт;
t + Г
* __ г о _______
*ср.оп ~ Л
95 + 70
2
= 82,5 °C;
СнТ = 20°С;4.от=16°С.
gco= 86282,5 20 «814 Вт.
Ис’° 82,5-16
Теплопотери в режиме вентиляции:
/ПП -1СОГ. t = 1Q0p.
*в.вент 10 *н.от
/хп — t 20-6-191
= Сот ввент нот =862- — 7«960,5 Вт;
^пот ^ОТ 16-6-19)
В.ОТ Н.ОТ V *^7
18-10
16-(-19)
«197 Вт.
Здесь /н.пп - расчетная температура наружного воздуха в пере-
ходный период, принимаемая равной +10 °C; 6™ент - расчетная
температура внутреннего воздуха в переходный период в режиме
вентиляции (из таблицы расчетных параметров внутреннего возду-
ха); 6Н.ОТ - расчетная температура наружного воздуха в холодный пе-
риод по параметрам «Б».
Расчет теплопоступлений от солнечной радиации
через окна помещения
Исходные данные. Помещение в здании, рассмотренном в пре-
дыдущих примерах. В помещении имеется одно окно с ориентацией
на СВ.
184
Географическая широта <р = 44 °с.ш.; площадь окна Д,кн = 1,2 • 0,9 =
=1,08 м2.
1. Максимальное количество теплоты от прямой и рассеянной
солнечной радиации, проникающей через одинарное остекление:
q* = 369 Вт/м2, q* - 98 Вт/м2 в период с 6 до 7 часов по табл.
2.3 (здесь и далее таблицы, формулы и графики из Справочника
проектировщика - п. 31 списка литературы) для остекления, ориен-
тированного на СВ на широте 44°.
Угол между солнечным лучом и окном: р = arctg(ctg/z • cos Ясо),
где h - высота стояния Солнца; Асо - солнечный азимут остекления.
Принимаем h = 19° по табл. 2.8 [31] для периода 6-7 часов и широты
44°.
По той же таблице принимаем азимут солнца Д.=100°. По-
скольку Лс < 135, то по табл. 2.6 [31] при ориентации СВ и времени
до полудня Асо = 135 - Ас = 135 -100 = 35° .
Тогда Р = arctg(ctgl9 • cos35) « 67,2°.
2. Коэффициент инсоляции вертикального остекления:
ИНС.В
Lrctg$-a>
где Н- высота окна (Н= 1,2 м); В - ширина (В = 0,9 м);
а = с = 0 - так как отсутствуют внешние солнцезащитные ко-
зырьки Lr = £в = 0,13 - заглубление остекления от наружной по-
верхности фасада (принято 0,13 м, как для кирпичных зданий).
Отсюда
ИНС.В
0,13ctg67,2°-0>
1,2 >
«0,858.
3. Коэффициент облучения Кобл зависит от углов:
Pi =arctg
8,2°
вертикальная компонента,
в
= 0,984 (график рис.2.4 [31]); у, =arctg
6,2° =>гори-
т
зонтальная компонента К^т = 0,9784 (см. там же).
185
Тогда -K^ r «0,96.
4. Удельный тепловой поток от проникающей солнечной радиа-
ции через принятое остекление:
?пр = (Й '^иче.. + 9р -^обл)'^отн-Ь-
где К0.т - коэффициент относительного проникания солнечной ра-
диации; для окон с двойным остеклением без солнцезащитных уст-
ройств и тол
till!!
зой стекла 4—6 мм по табл. 2.4 [31] Кпта
* VLH
= 0,8;
т2- коэффициент учета затенения окна переплетами; для приня-
того остекления по табл. 2.5 [31] т2= 0,65.
Тогда q„p =(369 0,858 + 98 0,96) 0,8 0,65»214 Вт/м2.
5. Наружная условная температура на поверхности окна:
^н.усл
# П < A R 1 * ^инсл А * Абл ) ’ Р// ’ ^2
= *в.ср + 0,5 • |32 +-----------------------------------
0tH
где Гнср - средняя температура наиболее жаркого месяца (июля); Гнср
- 23,3 °C по СНиП 23-01-99*; для кондиционируемых помещений
следует принимать наружную температуру в теплый период года по
параметрам «Б»;
4н " средняя суточная амплитуда колебания температуры на-
ружного воздуха в теплый период; - 18 °C по СНиП 23-01-99*;
р2 = -0,605 - коэффициент, учитывающий суточный ход наруж-
ной температуры (табл. 2.9 [31] при е = 0 для периода 6-7 часов);
рх/ - приведенный коэффициент поглощения радиации; рх/ = 0,4
по табл. 2.4 [31] для двойного остекления без солнцезащитных уст-
ройств при толщине стекла 4-6 мм;
£в, Д, - количество теплоты, поступающей на вертикальную
поверхность ориентации СВ в период 6-7 часов от прямой и рассе-
янной радиации для широты 44° по табл. 2.10 [31] (5В =419 Вт/м2,
Д = 133 Вт/м2);
ан - коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности окна;
для вертикальной поверхности
186
а„ = 5,8 +11,6-Jv = 5,8 +11,6-Л «17,4 Вт/м2 • °C,
^=23,3 + 0,5-18 (-0,605)+
(419-0,858 + 133-0,9б)-0,4-0,65
+-------------------------------«2
17,4
6. Теплопоступления от теплопередачи через окно:
fag.-'.) (29,6-30,4)
-К» 0,42
»-1,9 Вт/м2
9
где Ао - сопротивление окна теплопередаче в летних условиях; для
выбранного типа окнаЛо = 0,42 Вт/(м-К) по табл. 2.4 [31].
7. Суммарные теплопоступления через окно, ориентированное
на СВ :
вер =(<7пр +^)Чкн = (214-1,9)-1,08»229 Вт.
Результаты всех расчетов сводим в таблицы.
Таблица 5.6
Теплопоступления и теплопотери помещения с общеобменной
вентиляцией
Наименование помещения Объем з помещения, м Расчетный период года Поступления в помещение явной теплоты, Вт
От людей От солнечной радиации От искусственного освещения От системы отопления От технологического оборудования От прочих источников
Явная Полная
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 18,29* *3,3 = =60,4 ТП 278,2 1073 229 — — — —
ПП 801 1135 229 — — — —
ХП 732,6 1117,4 —- 107,4 814 — —
187
Окончание табл. 5.6
Теплопоступления в помещение, Вт Теплопоте- ри помеще- ния, Вт Избыточная теплота
Суммарные Суммарные Явная Полная
Явные Полные скрытые Вт Вт/м3 Вт
11 12 13 14 15 16 17
507,2 1302 797,8 — 507,2 8,4 1302
1030 1364 334 197 833 13,8 1167
1654 2038,8 384,8 960,5 693,5 11,5 1078,3
Таблица 5.7
Сводная таблица вредных выделений
№ помещения Наименование помещения Объем з помещения, м Расчетный период года Тепловые избытки Влаговыделения, кг/ч Газовые выделения, л/ч £ Qd^ва> кДж/кг
Яв- ные, кДж/ч Скры- тые, кДж/ч Пол- ные, кДж/ч
1 2 3 4 5 7 8 9 10 11
1 Зал обслу- жива- ния насе- ления 60,4 ТП 1826 2872 4698 1,12 185 4194
ПП 2998 1202 4200 0,5 185 8400
ХП 2497 1385 3882 0,55 185 7100
Примечание. Для перевода теплоизбытков в кДж/ч необходимо тепло-
избытки в Вт умножить на 3,6.
5.5. Пример расчета воздухообмена по избыткам
явной и полной теплоты и влаги
Исходные данные: общественное здание в г. Краснодаре, рас-
смотренное в предыдущих примерах.
Расчетное помещение - зал обслуживания населения. Характе-
ристики помещения, параметры микроклимата и результаты расчета
тепловлаговыделений приведены в п. 5.3. Схема организации возду-
хообмена - один приток, одна вытяжка с подачей воздуха в верх-
нюю зону и удалением также из верхней зоны. Расчеты выполняем
для режима вентиляции.
188
ТП Аг = (Н-2)-gradt = (3,3-2)-0,35«0,46 °C по формуле
(2.42). В данном случае Арз = 2 м, т.к. люди в помещении стоят. Ве-
личину gradT принимаем по примечанию к формуле (2.42) при удель-
ной теплонапряженности 8,4 Вт/м3. Расчет вначале ведем по избыт-
кам явной теплоты с использованием формул (2.52)-(3.11).
ty = ГВ+АГ = 30,4+ 0,46 = 30,86 °C,
fn=^+0,5=27,4+0,5 = 27,9 °C,
= G? = 3,6'6^« =---3,6'5-г2---и 613 кг/ч.
у С.(ГУ-О 1,005 .(30,86 - 27,9)
ПП Af = (H-2)-grad/ = (3,3-2)-0,94=1,3,
Гу=Гв + дг = 18+1,3 = 19,3 °C,
L=C+0,5 = 10+0,5=10,5 °C,
П НЛ 7 7 7 7
G? = G? = -3,6l^Bbu=-----3,6 830----к 338 кг/ч.
У 1,005 (19,3-10,5)
ХП Ar = (//-2)-gradr = (3,3-2)-1,1® 1,43,
Гу =гв+Аг = 20+ 1,43 = 21,43 °C,
*п “^в.от “16 °C,
G* = G^ =
3,6-693,5
1,005-(21,43-16)
« 457,5 кг/ч,
G? = G* = тах(ТП, ПП, ХП) = 613 кг/ч, т.е. соответствует тре-
буемому воздухообмену в ТП=> уточняем Г™ и Г™.
189
,» 3,6-g., =2l 3,6-693,5
y Gp-cB ’ 613-1,005
,nn _ лт 3,0 * Qt36ji _ j n о
° У Gp-c,
3,6-833 , . . __
—--------= 14,4 °C.
613-1,005
Поскольку это выше наружной температуры в ПП, равной +10
°C, полученный результат говорит о том, что в ПП необходимо про-
должать подогрев притока, в данном случае до температуры +14,4
°C, во избежание переохлаждения помещения.
После построения процессов изменения состояния воздуха в
помещении на 7-б/-диаграмме (см. п. 3.2, режим вентиляции) можно
проверить расчет воздухообмена по избыткам полной теплоты и
влаговыделениям. Проверку проводим для условий ТП, поскольку
именно по этому периоду был принят расчетный воздухообмен, с
использованием формул (2.52).
G? =4” =Т%-103 ~,и -103 = 590кг/ч(повлаге);
d -dn 14,4-12,5
J
где Мп -1,2 кг/ч - влагопоступления (см. п. 5.3);
/-гто 3,6’jOLg 3,6’1302 .
= G? =-------—=———-— = 586 кг/ч (по полной тепло-
у /у-/п 68,0-60,0
те).
Здесь еизб.п = 2изб.я + бскр = 507,2 + (1073 - 278,2) = 1302 Вт (см.
п. 5.3).
Значения 1а — 60,0 кДж/кг и d„ = 12,5 г/кг определяются с помо-
щью /-^-диаграммы или формул из п. 1.6 для точки, лежащей на 0,5
°C выше точки, соответствующей параметрам «А» в ТП для рас-
сматриваемого района, т.е. г. Краснодара по СНиП 23-01-99 , а 1У -
= 68,0 кДж/кг и dy = 14,4 г/кг - опять-таки графически после по-
строения процесса изменения состояния воздуха в помещении на
Z-J-диаграмме для ТП. При этом используется значение углового
коэффициента луча процесса:
^пом
3,6-0^,3,64302
вп
1,12
= 4194 кДж/кг.
190
Таким образом, отклонение воздухообмена, вычисленного
по влаге, от определенного по явной теплоте составляет
^5—^12.1оо% =-3,8%, а при вычислениях по полной теплоте
613
586 — 613
---------100% = -4,3%, что находится в допустимых пределах.
613
Вычисляем объемный расход воздуха и фактическую кратность
воздухообмена, принимая температуры притока и уходящего возду-
ха наибольшими из всех расчетных периодов, т.е. в данном случае
поТП.
353
353
р = —------=-----------= 1,17 кг/м3;
п Гп+273 29,1 + 273
„ Gp 613 „„ 3.
Я = — =------» 524 м3/ч;
Р„ 1Л7
=£Р/Г»8,68ч‘1;
353
353 оээ , , з
р =--------=-----------= 1,16 кг/м ;
у Гу+273 31,78 + 273
613^528 м3/ч; Kj =£’’/К« 8,74 ч’1.
У РУ 1,16 > р / ’
ной норме: ЬСОг
Таким образом, расчет показывает, что объемные расходы при-
тока и вытяжки отличаются незначительно, и этой разницей можно
пренебречь.
Проверяем расчетный воздухообмен на соответствие санитар-
М
-———(формула (2.54)), где Сп= 0,5 л/м3,
ПДК ~~ Qi
со2
- Мгп
’плк = 1 л/м3 (см. табл. 5.8). Мсп. =185 л/ч; Lco =-------------—
'“'ПДК “ '“'п
185
= -—— = 370 м3/ч;£СС5г <£р, поэтому оставляем воздухообмен, вы-
численный по избыткам явной теплоты.
191
Таблица 5.8
Концентрации СО2 - предельно допустимые и в приточном воздухе
Район Гп, л/м3 Здание Спдк, л/м3
Центр города (более 1 млн чел) 0,75 Лечебные и детские 1,0
Район в черте города 0,5 Актовые, зритель- ные, спортивные залы и т.п. с боль- шим числом людей 1,5
Загородная зона, небольшие поселки 0,4 При временном пребывании (мага- зины, кинотеатры) 2,0
5.6. Допустимые и оптимальные параметры
микроклимата в помещениях жилых и общественных
зданий по ГОСТ 30494-96*
Классификация помещений
Помещения 1-й категории - помещения, в которых люди в по-
ложении лежа или сидя находятся в состоянии покоя и отдыха.
Помещения 2-й категории - помещения, в которых люди заняты
умственным трудом, учебой.
Помещения За категории - помещения с массовым пребыванием
людей, в которых люди находятся преимущественно в положении
сидя без уличной одежды.
Помещения 36 категории - помещения с массовым пребывани-
ем людей, в которых люди находятся преимущественно в положе-
нии сидя в уличной одежде.
Помещения Зв категории - помещения с массовым пребыванием
людей, в которых люди находятся преимущественно в положении
стоя без уличной одежды.
Помещения 4-й категории - помещения для занятий подвижны-
ми видами спорта.
Помещения 5-й категории - помещения, в которых люди нахо-
дятся в полураздетом виде (раздевалки, процедурные кабинеты, ка-
бинеты врачей и т.п.).
Помещения 6-й категории - помещения с временным пребыва-
нием людей (вестибюли, гардеробные, коридоры, лестницы, сануз-
лы, курительные, кладовые).
192
Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха
в обслуживаемой зоне помещений жилых зданий и общежитий
Период года Наименование помещения Температура возду- ха, °C Результирующая температура, °C Относительная влажность, % Скорость движения воздуха, м/с
опти- мальная допус- тимая опти- мальная допус- тимая опти- мальная допус- тимая, не более опти- мальная, не более допус- тимая, не более
Холод- ный Жилая комната 20-22 18-24 (20-24) 19-20 17-23 (19-23) 45-30 60 0,15 0,2
То же, в районах с темпе- ратурой наиболее холод- ной пятидневки (обеспе- ченностью 0,92) минус 31 °C и ниже 21-23 20-24 (22-24) 20-22 19-23 (21-23) 45-30 60 0,15 0,2
Кухня 19-21 18-26 18-20 17-25 НН* НН 0,15 0,2
Туалет 19-21 18-26 18-20 17-25 НН НН 0,15 0,2
Ванная, совмещенный санузел 24-26 18-26 23-27 17-26 НН НН 0,15 0,2
Холод- ный Помещения для отдыха и учебных занятий 20-22 18-24 19-21 17-23 45-30 60 0,15 0,2
Межквартирный коридор 18-20 16-22 17-19 15-21 45-30 60 0,15 0,2
Вестибюль, лестничная клетка 16-18 14-20 15-17 13-19 НН НН 02 0,3
Кладовые 16-18 12-22 15-17 11-21 НН НН НН НН
Теплый Жилая комната 22-25 20-28 22-24 18-27 60-30 65 _0.2 03
♦НН - не нормируется.
Примечание. Значения в скобках относятся к домам для престарелых и инвалидов.
Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха
в обслуживаемой зоне общественных зданий
Период года Наименование помещения или категория Температура воздуха, °C Результирующая температура, °C Относительная влаж- ность, % Скорость движения воздуха, м/с
опти- мальная допусти- мая опти- мальная допусти- мая опти- мальная допусти- мая, не более опти- мальная, не более допусти- мая, не более
Холод- 1 категория 20-22 18-24 19-20 17-23 45-30 60 0,2 0,3
ный 2» 19-21 18-23 18-20 17-22 45-30 60 0,2 0,3
За» 20-21 19-23 19-20 19-22 45-30 60 0,2 0,3
36» 14-16 12-17 13-15 13-16 45-30 60 0,2 0,3
Зв » 18-20 16-22 17-20 15-21 45-30 60 0,2 0,3
4» 17-19 15-21 16-18 14-20 45-30 60 0,2 0,3
5 » 20-22 20-24 19-21 19-23 45-30 60 0,15 0,2
6» 16-18 14-20 15-17 13-19 НН* НН НН НН
Ванные, душевые 24-26 18-28 23-25 17-27 НН НН 0,15 0,2
Холод- Детские дошкольные
ный учреждения
Групповая, раздевальная
и туалет:
для ясельных и младших групп 21-23 20-24 20-22 19-23 45-30 60 0,1 0,15
для средних и дошкольных 19-21 18-25 18-20 17-24 45-30 60 0,1 0,15
групп
Спальня:
для ясельных и младших трупп 20-22 19-23 19-21 18-22 45-30 60 0,1 0,15
для средних и дошкольных 19-21 18-23 18-22 17-22 45-30 60 0,1 0,15
групп
Теп Помещения с постоянным пре- 23-25 18-28 22-24 19-27 60-30 65 0,3 0,5
лый быванием людей
♦ НН - не нормируется.
Примечание. Для детских дошкольных учреждений, расположенных в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченно-
стью 0,92) -31 °C и ниже, допустимую расчетную температуру воздуха в помещении следует принимать на 1 °C выше указанной в таблице.
В соответствии со СНиП 41-01-2003 при отоплении и венти-
ляции следует принимать по ГОСТ 30494-96*:
а) в холодный период года в обслуживаемой зоне жилых по-
мещений температуру воздуха - минимальную из оптимальных
температур; при согласовании с органами Госсанэпиднадзора Рос- ‘
сии и по заданию заказчика допускается принимать температуру
воздуха в пределах допустимых норм;
б) в холодный период года в обслуживаемой или рабочей зоне
жилых зданий (кроме жилых помещений), общественных, админи-
стративно-бытовых и производственных помещений температуру
воздуха - минимальную из допустимых температур при отсутст-
вии избытков явной теплоты (далее - теплоты) в помещениях; эко-
номически целесообразную температуру воздуха в пределах до-
пустимых норм в помещениях с избытками теплоты;
в) для теплого периода года в помещениях с избытками тепло-
ты - температуру воздуха в пределах допустимых температур, но
для общественных и административно-бытовых помещений не бо-
лее чем на 3 °C выше расчетной температуры наружного возду-
ха (по параметрам А).
При кондиционировании воздуха параметры принимаются в
пределах оптимального диапазона по ГОСТ 30494-96 . Относи-
тельную влажность воздуха в кондиционируемых помещениях до-
пускается не обеспечивать по заданию на проектирование.
При обеспечении оптимальной относительной влажности ее це-
лесообразно принимать (см. табл. 1.3):
- в холодный период - минимальной из оптимальных;
- в теплый период - максимальной из оптимальных.
г
195
Список литературы
1. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции. - М.: Про-
физдат, 1990.-448 с.
2. Белова Е.М. Центральные системы кондиционирования воздуха в
зданиях. - М.: Евроклимат, 2006. - 640 с.
3. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические
основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): Учебник для
вузов. - 3-е изд. - C-Пб.: Изд-во «АВОК СЕВЕРО-ЗАПАД», 2006. - 400 с.
4. Булгаков С.Н., Бондаренко В.М., Кувшинов Ю.Я. Теория здания.
Т 1. Здание. Оболочка: Монография. - М.: Изд-во АСВ, 2007.
5. ГОСТ 30494-96* «Здания жилые и общественные. Параметры
микроклимата в помещениях». - М.: ГУП ЦПП, 1999.
6. ГОСТ 12.01.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требова-
ния к воздуху рабочей зоны». - М.: ЦИТП, 1988.
7. Еремкин А.И. и др. Лабораторный практикум по курсу «Теплога-
зоснабжение, отопление и вентиляция» / Под ред. С.В. Бакановой. -
Пенза: ПГАСА, 2003. - 153 с.
8. Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конст-
рукции и микроклимат здания). - М.: Высшая школа, 1974. - 320 с.
9. Каменев П.Н., Тертичник Е.И. Вентиляция: Учебник. М.: Изд-во
АСВ, 2006.-615 с.
10. Копко В.М., Кувшинов Ю.Я., Хрусталев Б.М. Теплоснабжение и
вентиляция: Учеб, пособие. - М.: Изд-во АСВ, 2010. - 784 с.
11. Краснов Ю.С. Системы вентиляции и кондиционирования. Ре-
комендации по проектированию для производственных и обществен-
ных зданий. - М.: Термокул - РИЦ «Техносфера», 2006. - 288 с.
12. Кувшинов Ю.Я. Теоретические основы обеспечения микрокли-
мата помещения: Монография. - М.: Изд-во АСВ, 2007. - 184 с.
13. Кувшинов Ю.Я. Энергосбережение в системе обеспечения мик-
роклимата зданий: Монография. - М.: Изд-во АСВ, 2010. - 320 с.
14. Кувшинов Ю.Я., Самарин О.Д. Примеры решения задач по кур-
су «Теоретические основы создания микроклимата в помещении». Ме-
тодические указания к выполнению курсовой работы и дипломного
проекта для студентов специальности 270109 «Теплогазоснабжение и
вентиляция». - М.: МГСУ, 2008. - 52 с.
15. Малявина Е.Г. Теплопотери здания: Справочное пособие. - М.:
Изд-во АВОК-ПРЕСС, 2007. - 144 с.
16. Малявина Е.Г. Строительная теплофизика: Учеб, пособие. -
М.:МГСУ, 2011.-150 с.
17. Малявина Е.Г., Маркевич А. С. Теплотехнический расчет наруж-
ных ограждений и расчет теплового режима здания: Учеб, пособие. -
М.: МГСУ, 2009. - 72 с.
196
18. Полосин ИИ, Новосельцев Б.П., Шершнев В.Н. Теоретические
основы создания микроклимата в помещении. - Воронеж, 2005. - 143 с.
19. Самарин О.Д. Теплофизика. Энергосбережение. Энергоэффек-
тивность: Монография. - М.: Изд-во АСВ, 2011. - 296 с.
20. Самарин ОД. Вопросы экономики в обеспечении микроклимата
зданий: Монография. - М.: Изд-во АСВ, 2011. - 128 с.
21. Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление: Учебник. - М.: Изд-во
АСВ, 2006. - 576 с.
22. СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия. Общие положе-
ния». - М.: ГУП ЦПП, 1993.
23. СНиП 23-01-99* «Строительная климатология». - М.: ГУП
ЦПП, 2004 (Актуализированная редакция - СП 131.13330.2012. - Мин-
регион России, 2012).
24. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий». - М.: ГУП ЦПП,
2004 (Актуализированная редакция - СП 50.13330.2012. - Минрегион
России, 2012).
25. СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение». -
М.: ГУП ЦПП, 1996.
26. СНиП 31-01-2003 «Здания жилые многоквартирные». - М.:
ГУП ЦПП, 2004 (Актуализированная редакция - СП 54.13330.2011. -
Минрегион России, 2011).
27. СНиП 31-05-2003 «Общественные здания административного
назначения». - М.: ГУП ЦПП, 2003.
28. СНиП 31-06-2009 «Общественные здания и сооружения». - М.:
ГУП ЦПП, 2009 (Актуализированная редакция - СП 118.13330.2012. -
Минрегион России, 2012).
29. СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондицио-
нирование». - М.: ГУП ЦПП, 2004 (Актуализированная редакция - СП
60.13330.2012. - Минрегион России, 2012).
30. СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий». -
М.: ГУП ЦПП, 2004.
31. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-
технические устройства. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование возду-
ха. Кн. 1 / Под ред. Н.Н. Павлова и Ю.И. Шиллера. - М: Стройиздат,
1992.-320 с.
32. Стандарт АВОК «Здания жилые и общественные. Нормы воз-
духообмена». - М.: НП «АВОК», 2002.
33. Строительная климатология: Справочное пособие к СНиП 23-
01-99* / Под ред В.К. Савина. - М.: НИИСФ, 2006. - 260 с.
34. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих конст-
рукций здания. - М.: Изд-во АВОК-ПРЕСС, 2006. - 250 с.
35. Fanger P.O. Thermal comfort. - New-York, 1972. - 254 p.
197
Учебное издание
Юрий Яковлевич Кувшинов
Олег Дмитриевич Самарин
ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
МИКРОКЛИМАТА ЗДАНИЙ
Компьютерная верстка: Е.В. Орлов
Редактор: В.Ш. Мерзлякова
Дизайн обложки: Н.С. Романова
Лицензия ЛР № 0716188 от 01.04.98.
Подписано к печати 01.08.12. Формат 60x90/16.
Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.
Усл. 12,5 п.л. Тираж 500 экз. Заказ № 5199.
Издательство Ассоциации строительных вузов (АСВ)
129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, отдел реализации - оф. 511
тел., факс: (499)183-56-83, e-mail: iasv@mgsu.ru, http://www.iasv.ru/
Отпечатано в ОАО «Первая Образцовая типография»,
филиал «Дом печати — ВЯТКА» в полном соответствии
с качеством предоставленных материалов.
610033, г. Киров, ул. Московская, 122.
Факс: (8332) 53-53-80,62-10-36
http://www.gipp.kirov.ru; e-mail: order@gipp.kirov.ru