Экономические и гигиенические аспекты при управлении микроклиматом помещений

В последние годы во многих странах мира настойчиво разрабатывается проблема экономии энергии и топлива. В зданиях с охлаждением воздуха сводятся к минимуму поверхность окон, выходящих на запад, восток и юго-запад, все окна, выходящие на эти стороны, а также на юг, защищаются от солнца, при этом их площадь не должна превышать 20% площади стен. Таким образом, только за этот счет можно достичь экономии энергии на 10—25%.

С гигиенических позиций представляют интерес также те работы, в которых исследуются допустимость снижения оптимальной температуры воздуха в отапливаемых помещениях и повышения ее в помещениях летом при условии обеспечения теплового комфорта.

В ряде стран из чисто экономических соображений уже действуют новые регламенты. Так, во Франции минимальная температура воздуха в жилых помещениях снижена с 23—25° до 18—20°. Верхняя граница температуры воздуха в жилых помещениях в Швеции ограничена 21°. В США выдвинуто требование об изменении оптимальной температуры воздуха в помещении, равной 22, 2—25, 6° (в соответствии со стандартом Американского общества инженеров по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха 55—74) до 20—21, 1° для зимы и 25, 6—26, 7° и даже 27, 8° для лета.

В целях достижения экономии энергии при сохранении комфортного самочувствия людей предлагается нормировать температуру воздуха в помещениях для различных групп людей в зависимости от теплозащитных свойств одежды и вида деятельности человека: при одежде с теплоизоляцией 1, 0 clo температура воздуха при работе в конторском учреждении может быть 20—22°, в спальной комнате ночью во время сна ее можно снижать до 14—18°. С точки зрения гигиениста, действительно учет периодичности физиологических функций организма человека позволяет осуществлять дифференцированное нормирование температуры воздуха в жилых помещениях в дневное и ночное время, что является вполне правомерным путем экономии энергии тем более, что при изучении влияния пониженной температуры воздуха на организм человека в период ночного сна советскими учеными (Б. В. Койранский, 1968; В. Г. Мату-севич, 1970; Н. Николов, 1980) установлен факт более быстрого наступления сна и увеличения глубины его при температуре воздуха в спальной 14— 15°. Поэтому естественно, что снижение температуры воздуха в помещениях во время сна рекомендуют на сегодня уже многие исследователи. Однако следует подчеркнуть, что дифференцированное нормирование температуры помещений для ночного и дневного времени должно быть обязательно связано с усовершенствованием технической базы для обеспечения надежного покомнатного регулирования поступления тепла в отопительные приборы.

Подходы к нормированию параметров микроклимата с учетом современных требований не ограничиваются только исследованием допустимого снижения температуры воздуха в помещениях днем и ночью. Не меньшее внимание исследователей привлекает и проблема разработки параметров динамического микроклимата во время бодрствования человека.

По существу, человек подвергается воздействию динамического микроклимата, постоянно находясь в естественных природных условиях и, следовательно, привык к нему в процессе всего своего филогенетического развития, поскольку природе свойственны постоянные колебания температуры, подвижности, влажности воздуха. Отсюда очевидна целесообразность периодического создания динамического микроклимата и в закрытых помещениях, поскольку т. н. «полная оптимизация микроклимата» исключает воздействие меняющихся тепловых раздражителей и создает определенную монотонность, вызывающую дет-реннированность системы терморегуляции. Кроме того, стабильность параметров микроклимата является причиной жалоб на головные боли, повышенную утомляемость, сонливость (X. А. Басаргина, 1968; Ю. Д. Губернский и др., 1978). Следовательно, важно знать, в каких пределах необходимы и допустимы колебания метеофакторов в течение дня. Исследования показали, что диапазон субъективно благоприятно воспринимаемого колебания температур воздуха составил 9, 2°. Сравнительная оценка преимуществ стабильного и динамического микроклимата на некото-, рые показатели производительности труда и тепловое состояние исследуемых, проведенная советскими учеными (Ю. Н. Хомутецкий и Т. В. Куксин-ская, 1979) показала, что при динамическом изменении одной только температуры воздуха производительность такая же, как при стабильном микроклимате, а при динамическом изменении скорости движения воздуха несколько выше.

Широкие возможности для экономии энергии может дать повышение подвижности воздуха при температуре воздуха в помещении выше 26—28°, которая является верхней границей оптимальной допустимой температуры воздуха летом. Максимальная скорость воздуха, которую выбирали для себя некоторые испытуемые, была равна 2 м/с при температуре воздуха 30°. Однако при более высоких температурах воздуха в помещении применение локального обдува приводило к усилению ощущения теплового дискомфорта. Ряд нормативов, разработанных только с целью получения экономии расхода энергии, требует уточнения. Так, с физиолого-гигиенических позиций очевидно, что диапазон рекомендуемых уровней подвижности воздуха довольно широк, так же, как и верхняя граница допустимой температуры воздуха в помещении; колеблется в довольно значительных пределах и температура воздуха, рекомендуемая при повышенной влажности воздуха в помещении. Объясняется это в первую очередь тем, что исследования проведены в камерах с искусственно созданным микроклиматом на людях, неакклиматизированных к условиям жаркого климата. Кроме того, в связи с использованием различных критериев оценки комфортности среды в рекомендуемые параметры включались условия, обеспечивающие оптимальное тепловое состояние от 15 до 95% людей, находящихся в помещении. Целью наших собственных исследований явилось уточнение ряда микроклиматических параметров. При этом в зону теплового комфорта включались те параметры микроклимата, при которых отмечалась относительная стабилизация в динамике температуры кожи, плотности теплового потока и влагопотерь, наибольшее количество ответов «комфорт» (не менее 85%) и при которых средние значения названных показателей совпадали с таковыми, полученными у исследуемых при комфортном тепловом ощущении. Микроклиматические условия, в которых количество ответов «комфорт» было менее 85%, но не менее 65%, включались в зону умеренного напряжения терморегуляции и считались допустимыми (Ю. Д. Губернский и др., 1978). При статистической обработке материала была принята степень достоверности, равная 95%.

На основании проведенных экспериментальных исследований и массового опроса населения установлено, что допустимыми для теплого периода года при подвижности воздуха 0, 1 м/с являются следующие микроклиматические условия: температура воздуха 24—25°, облученность 422—426 Вт/м2 при влажности воздуха 50%, температура воздуха 24°, облученность 422 Вт/м2 при влажности воздуха 80%. Верхней границе зоны умеренного напряжения терморегуляции (при подвижности воздуха 0, 1 м/с) соответствуют следующие сочетания микроклиматических условий: температура воздуха 26—27°, облученность 431—435 Вт/м2 при влажности 50%; температура воздуха 25—26°, облученность 426—431 Вт/м2 при влажности воздуха 80%.

Предлагаемое некоторыми исследователями снижение температуры воздуха в кондиционируемых общественных зданиях до 22—23° не явля-ется гигиенически целесообразным и оправданным в экономическом отношении, так как такая температура вынуждает служащих летом одеваться теплее, чем принято, т. е. повышать теплоизоляцию одежды с 0, 5 до 1, 0 clo, что неудобно в бытовом отношении, а на эксплуатацию систем при этом расходуется больше энергии.

С целью определения целесообразности и условий создания динамического микроклимата в кондиционируемом помещении нами изучалось и влияние на тепловое состояние человека колебаний температуры воздуха. Результаты исследований показали, что при выбранном нами режиме измерений температуры воздуха (скорость изменения 1, 5° за 15 мин) тепловое состояние испытуемых оставалось комфортным при повышении температуры воздуха от 24 до 27° и обратном ее снижении до 24°.

В целом наши исследования показали, что постепенное повышение температуры воздуха в помещении в диапазоне 24—28, 0° не оказывает влияния на объективные показатели теплового состояния человека, однако, уровень субъективной оценки теплового самочувствия при температуре воздуха 28° не позволяет считать эту температуру воздуха допустимой и в этих условиях необходимо применение искусственных средств оптимизации теплового состояния человека. Одним из наиболее простых средств является воздушное /туширование (вентиляторы-фены и др.).

Однако повышение подвижности воздуха в помещении является способом оптимизации микроклимата, который может применяться только в строго определенных границах из-за невозможности беспредельно повышать скорость движения воздуха, поскольку за пределами верхней границы допустимой подвижности воздуха интенсивный конвективный теплосъем может оказывать и отрицательное действие на организм человека.

Результаты наших исследований показали, что при повышении температуры воздуха в помещении до 27— 28° оптимизация теплового состояния может быть достигнута путем локального повышения подвижности воздуха на уровне лица и корпуса человека до 0, 9 м/с при влажности 50% и применением сочетания струй с горизонтальным и вертикальным направлением при скорости соответственно 0, 6 и 0, 9 м/с.

В целом вышеприведенные данные позволяют, очевидно, более рационально распределить нагрузку на системы кондиционирования в течение дня, а в некоторых ситуациях возможно и пересмотреть устоявшиеся взгляды на необходимость оборудования зданий централизованными системами кондиционирования воздуха.

По-видимому, даже в районах с жарким климатом для оптимизации теплового состояния людей, находящихся в помещении, не всегда целесообразно оборудование зданий централизованными системами кондиционирования воздуха. И с гигиенической, и с экономической точек зрения, при повышении температуры воздуха в помещении до 28° рациональнее ограничиться более простым способом нормализации теплового состояния человека — локальным конвективным теплосъемом.

В приведенных примерах очевидна связь традиционных приемов с техническими усовершенствованиями. Урбанизация, связанная с развитием техники, становится мало управляема и в этих условиях оказывается недостаточно природоохранных мероприятий, проведение которых начато в городах. Нужна среда, которая способна самостоятельно регулировать жизненный процесс в запрограммированном режиме, которая изначально прогнозируется и сознательно конструируется средствами ландшафта, архитектуры и инженерии. На основе задач возникает идея «экологичного» жилища, жилой среды, созданной в гармонии с природой и человеком. Архитектура, улучшающая микроклимат, преобразующая его с помощью архитектурно-ландшафтных средств, будет не только экологична, но и эстетически полноценна, самобытна, поскольку несет на себе черты индивидуального, обусловленного местными особенностями. Поэтому современные попытки проектирования экологичного жилища следует расценивать как существенное направление развития, связанное с гигиеной, техникой и с климатическим аспектом проблемы.

Замена традиционных радиаторных систем отопления панельными системами позволяет: сократить монтажные трудозатраты на 25—40% и общую трудоемкость сантехработ на 10—15% при одновременном уменьшении сметной стоимости систем на 15—25%; улучшить санитарно-гигиенические и эстетические показатели отапливаемых помещений.

Начало использования излучения нагретых поверхностей для отопления в помещении в нашей стране было положено военным инженером М. Фроловым, по проекту которого в 1874 г. была сооружена система отопления жилых помещений крепостных сооружений. В 90-х гг. в Крон-штадском госпитале, а затем в морской казарме на Охте и в Крюковской казарме впервые было устроено центральное паропесочное панельное отопление с температурой поверхности панели в 60°. 1900—1903 гг. были периодом широкой изобретательской деятельности в области панельного отопления. Активное участие в этой работе принимали виднейшие специалисты отопительной техники нашей страны — В. М. Чаплин, В. Г. Залесский, Б. К. Правдин, В. Л. Максимович и др.

Большим вкладом в дело развития панельного отопления явилась разработанная и предложенная в 1905 г. инженером В. А. Яхимовичем «паро-и водобетонная» система отопления. Впоследствии по этой системе (1905— 1914 гг.) было смонтировано более 70 установок отопления в Саратове, Казани, Самаре, Нижнем Новгороде, Ленинграде, Москве, Киеве, Ростове и других городах.

Таким образом, система лучистого отопления в нашей стране была разработана и начала применяться задолго до того, как она получила свое развитие за рубежом (1910—1914 гг.), хотя в английской и американской литературе открытие этой системы приписывают Артуру Беркеру.

В наши дни из многочисленных видов панельного отопления определенное распространение получили системы с заделкой трубчатых нагревательных элементов в наружные стены; наряду с этим, в жилищном строительстве находят применение па-нельно-потолочные системы с развитой поверхностью обогрева, контурные напольно-потолочные системы с поверхностью обогрева, проходящей по контуру помещения, ригельные, перегородочные, с расположением нагревательных элементов в межкомнатных перегородках. Проблема широкого применения лучистого отопления в практике строительства выдвинула актуальную задачу детального гигиенического его изучения и' оценки эффективности этой системы отопления.

Гигиеническое значение отопления помещений излучающими поверхностями подчеркивалось отечественными гигиенистами и виднейшими деятелями отопительной техники в нашей стране уже давно. Ф. Ф. Эрис-ман еще в 1887 г. указывал, что системы отопления с санитарной точки зрения имеют разные достоинства в зависимости от способа передачи ими тепла. Наиболее благоприятные условия для организма, считал он, могут быть созданы при уменьшении теп-лопотерь излучением, что достигается лишь в таком случае, если кроме воздуха, в надлежащей степени нагревается находящаяся в комнате мебель, и в особенности стены. С. Ф. Бубнов и А. П. Доброславин также считали для обеспечения комфортных условий важным лучистый обогрев мест помещений, которые больше всего охлаждаются. Горячими поборниками широкого применения лучистого отопления в жилых и школьных зданиях были В. А. Левицкий и А. В. Мольков. Дальнейшие исследования советских ученых (Н. Ф. Галанин, А. А. Летавет, А. Е. Малышева, М. Е. Маршак, Л. К. Хоцянов и др.) значительно расширили наши представления о воздействии лучистого тепла на организм.

Гигиенисты экспериментально показали, что радиационный компонент в теплообмене человека с окружающей средой играет весьма существенную, а в некоторых случаях и главенствующую роль.К достоинствам систем лучистого отопления относят следующее: 1) низкую температуру поверхности нагревательных приборов и отсутствие вследствие этого пригорания пыли; 2) большие возможности вентилирования помещений в холодное время года; 3) возможность охлаждения помещения летом; 4) равномерное распределение температуры воздуха по помещению; 5) экономию на металле; 6) отсутствие загромождающих помещение нагревательных приборов и в связи с этим лучшее его использование. Заделка труб в бетонный массив при панельно-лучистом отоплении кроме определенных архитектурных достоинств дает заметный теплотехнический эффект, так как при этом температура теплоотдающей поверхности панели оказывается значительно ниже температуры теплоносителя.

Одним из основных недостатков системы панельно-лучистого отопления является перегрев помещений в переходные периоды года из-за их большой инерционности, когда наблюдаются значительные колебания наружного воздуха. Вместе с тем па-нельно-лучистая система при относительно небольшой стоимости (70— 80% стоимости водяной системы отопления с радиаторами) позволяет создать в помещениях достаточно комфортные условия. В последнее время начинают внедряться системы электрического лучистого отопления жилых зданий, для чего используются потолочные и стеновые панели. Основное преимущество этих приборов и панелей — равномерное распределение тепла по большой поверхности. Регулирование теплоотдачи панелей и конвекторов осуществляется с помощью терморегуляторов. Удельная теплоотдача панелей составляет от 40 до 125 Вт/м2, температура нагрева их поверхности не превышает 40° С даже при значительной величине теплоотдачи.

При размещении нагревательных приборов лучистого отопления в жилище необходимо учитывать особенности лучистого теплообмена разных участков тела человека. При подводе тепла посредством инфракрасного излучения необходимо учитывать то обстоятельство, что тело человека обладает неравномерной чувствительностью к лучистой энергии. Особенно чувствительная к инфракрасным лучам голова: при неправильном режиме облучения вместо теплового комфорта могут возникать явления дискомфорта.

Математический анализ показывает, что наиболее эффективным способом увеличения средней радиационной температуры в помещении является повышение температуры пола, затем — температуры потолка и, наконец, температуры стен (Я. Д. Пекер, 1970). Однако физиолого-гигиенические исследования относительных достоинств разных видов панельно-лучистого отопления как раз свидетельствуют о необходимости особенно осторожного отношения именно к потолочному и напольному панельно-лучистому отоплению, так как при определенной температуре пола наблюдается нежелательный эффект — чрезмерное расширение сосудов ног, а перегрев потолка опасен для функции головного мозга. Сторонники чисто физического подхода к обеспечению теплового комфорта человека полагают, что для приятного самочувствия (комфорта) достаточно обеспечения равновесия между теплопродукцией человека и отводом тепла в окружающую среду. Однако данные показывают, что этого условия оказывается недостаточно: наряду с количественной стороной учета теплопотерь необходимо также учитывать и качественную, связанную с биологическими особенностями теплообмена разных участков тела, поскольку инфракрасное излучение оказывает наиболее сильное воздействие на не защищенные одеждой участки кожи человека: лицо, голову, руки. Таким образом, при применении для отопления лучистого тепла важное значение приобретает определение местных тепловых нагрузок, в особенности на поверхность головы человека, поскольку чрезмерное облучение может быть причиной головной боли, понижения работоспособности, нарушения сна.

Поскольку, чем больше поверхность, тем меньшая интенсивность радиации нужна на единицу поверхности для создания того же теплового эффекта, то крайне важное значение приобретает расположение излучающей поверхности и положение тела человека. Учитывая большую поверхность тела человека, излучающую и воспринимающую тепло (1, 5 м2 — 1, 8 м2), достаточно уже небольшой разницы в радиационном режиме, чтобы ощутить дискомфорт.

Кроме того, при проектировании систем отопления необходимо учитывать, что в закрытом помещении имеются поверхности с разными температурами. Поэтому в разных местах такой комнаты человек будет излучать в разные стороны различное количество тепла.

С гигиенических позиций рассредоточенное размещение панелей представляется оптимальным решением, позволяющим обеспечить равномерность и оптимальную • интенсивность облучения. Однако при относительно низких температурах нагревательных панелей необходимо увеличивать поверхность нагрева, что связано со значительным расходом труб. Необходимо, однако, отметить, что переход от прогрева всей плиты перекрытия к прогреву только одной ее части является вынужденным решением, связанным с необходимостью экономить металл и не может приветствоваться гигиенистами. Таким образом, очевидно, что если исключить фактор большего расхода металла, предпочтение должно быть отдано варианту лучистого отопления с рассредоточением поверхности нагрева по всей плоскости перекрытия.

Наилучшим местом размещения нагревательного элемента при устройстве панельного отопления жилых зданий является, согласно физиолого-гигиеническим исследованиям, наружная стена, в частности ее нижняя часть. По сравнению с другими имеющимися на сегодня системами эта система обеспечивает более благоприятные условия в отапливаемых помещениях: так как устраняется отрицательное влияние наружных стеновых ограждений и оконных проемов на радиационный режим помещения, локализуются ниспадающие от наружных ограждений потоки холодного воздуха. Наконец, следует также отметить наиболее равномерное распределение температур в отапливаемом помещении. К этому следует добавить, что подоконное размещение отопительной панели в наименьшей степени мешает расстановке мебели, так как в приоконной зоне ее обычно не размещают. Все же не всегда по соображениям экономического конструктивного и планировочного характера оказывается возможным при устройстве панельного отопления размещать отопительные панели в наружных стенах. Поэтому устраивают также системы отопления с размещением отопительных панелей в полу и потолке, перегородках, хотя они создают худшие условия, чем системы с отопительными панелями в наружных стенах. Однако при использовании для отопления потолочных панелей температура поверхности их весьма ограничивается во избежание повышенной радиации на голову.

Часть исследователей считают наиболее удачным расположение обогреваемых панелей у пола или в самом полу, так как такая установка позволяет легче добиться равномерного распределения температуры в помещении и довести разницу между температурой воздуха на уровне 1, 5 м от пола к весьма незначительным величинам. В защиту напольного расположения панелей приводят обычно соображения о том, что холодный пол является наиболее важным фактором, способствующим ухудшению метеорологических условий в помещении. Однако напольная система отопления не получила широкого распространения из-за ограниченной возможности повышения температур греющих поверхностей. Так, например, исследования, проведенные в помещении с напольной системой отопления, выявили ухудшение состояния здоровья женщин с варикозным расширением вен. Нам представляется, что напольная система отопления в жилых зданиях, где человек находится длительное время, причем в легкой обуви, не может быть рекомендована. В общественных зданиях применение ее вполне уместно в помещениях с кратковременным пребыванием людей. Представляется целесообразным использование ее также в детских яслях (для самых маленьких, ползающих детей) и в спортсооружениях, где человек находится босым. Мерилом правильности размещения отопительных приборов должно являться отсутствие или наличие при их работе таких зон, в которых одна часть тела человека будет подвергаться охлаждению, а другая — перегреву, что, в свою очередь, может стать причиной асимметричной теплоотдачи и дискомфортного ощущения и даже привести к возникновению простудных заболеваний. При размещении приборов отопления не в подоконной зоне (или заключении их в декоративные кожухи) комфортная тепловая зона зимой занимает относительно небольшую часть жилой площади. Гигиенические параметры не выдерживаются вследствие действия отрицательной тепловой радиации и связанной с ней односторонней и повышенной потери тепла человеком (ощущение дутья из окон). Кроме того, холодные конвективные потоки воздуха от окон настилаются на поверхность пола, понижая его температуру и создавая ощущение внутрикомнатного сквозняка.

Следует учитывать, что предметы, постоянно находящиеся в помещении (столы, письменные столы, стулья, шкафы и т. п.), экранируют тепловое излучение. Поэтому мебель в помещении, очевидно, надо расставлять так, чтобы излучение от панелей могло достигнуть человека, особенно зоны ног. Указанное выше требование об облучении человеческого тела выполняется наилучшим образом, если облучение производится одновременно с нескольких сторон.

Кондуктивная форма передачи тепла человеку в помещении имеет место при непосредственном (или опосредованном через обувь) контакте ступени и пола. При этом может произойти местное охлаждение ног, если пол дискомфортно холодный, или перегрев, если пол дискомфортно теплый. Следует отметить, что охлаждение ног не всегда зависит только от температуры пола: если человек испытывает общий холодовой дискомфорт, он прежде всего чувствует понижение температуры в ступенях, так как конечности (особенно нижние) являются главными терморегуляторами тела человека и температура кожи здесь обычно самая низкая. При рассмотрении вопроса об оптимальной и допустимой температуре пола необходимо прежде всего иметь в виду местный дискомфорт в области нижних конечностей. Местный дискомфорт может быть связан с тепловыми потерями стопы, которые зависят от вида обуви, особенно подошвы, от температуры и от материала пола. Наиболее благоприятное теплоощущение обеспечивают полы с небольшим объемным весом основания и теплоизолирующими слоями между покрытием и основанием. Коэффициент теплоусвоения в этих случаях не превышает 5 ккал/ (м2 • град • ч) при температуре воздуха и пола, равной 20°. Применение покрытий без достаточного утепления приводит к тепловому дискомфорту, который может сказаться особенно резко при понижении температуры внутреннего воздуха и пола (например, в переходные периоды года, когда отопление не работает и температура пола снижается до 17° и ниже). В связи с этим применять в практике жилищного строительства холодные полимерные покрытия полов, не имеющие достаточного утепления, не следует. При использовании же покрытий с некоторым утеплением необходимо в помещении поддерживать температуру воздуха не ниже 20° и несколько удлинять продолжительность отопительного сезона (раньше начинать и позже заканчивать работу системы отопления). Естественно, что помимо вышеперечисленных факторов существенно различные параметры температуры будут оптимальными для человека в разных видах обуви и без обуви.

Для возможности правильного суждения о теплоотдаче кондукцией нужно учитывать следующие существенные свойства человеческого организма: толщина наиболее важного в момент контакта наружного слоя кожи рогового слоя эпидермиса ноги человека составляет лишь несколько десятых миллиметра. Его теплоемкость составляет около 0, 2 кДж/(мХ Хград) на каждые 0, 01 мм толщины. Теплопотери подошвенной поверхности ступни в первую секунду контакта с холодным полом составляют порядка 0, 1 —1, 0 кал на каждый 1 см2 подошвенной поверхности ступни. Последняя величина составляет для взрослого человека от 0, 015 до 0, 020 м2. Поэтому вполне очевидно, что через самое короткое время и в следующем слое ткани — дерме, пронизанной сетью капиллярных сосудов, будут ощущаться теплопотери. Значение дермы для теплоотдачи имеет большое значение уже в начальный период. Кровеносные сосуды этого кожного слоя являются очень действенной теплообменной системой, так как пронизывающие его капилляры представляют широкие возможности для теплообмена. При средней скорости кровотока в капиллярах в 1 мм/с поток крови на 1 см2 поверхности тела при его тепловом равновесии составляет примерно от 0 до 50 см3/с. Для подошвенной стороны ступни площадью 0, 02 м2 теплопотери в начальный период составляют 0, 15 ккал (0, 6 кДж), а теплопотери в первый период равняются 2, 13 ккал (8, 62 кДж). Следовательно, в первые часы общие теплопотери составят 2, 28 ккал (9, 57 кДж).

Из сравнения этих теплопотерь с нормальным обменом веществ при легкой нагрузке, при которой расходуется около 2400 кал (10080 Дж) в день, т. е. 100 кал/ч (418 Дж), мы видим, что по сравнению с общим обменом локальные теплопотери в области стоп очень незначительны. Однако, зная значение охлаждения ног в этиологии простуды, понятна важность правильной компенсации этих мизерных теплопотерь. Тем более, что у незакаленных и пожилых людей подобные, даже нерезкие охлаждения при значительной их длительности могут привести к простуде. Подобное раздражение холодом неблагоприятно отражается на здоровье и ведет к заболеваниям. Если при контакте подошвенной стороны человеческой ступни с полом температура ее снижается более чем на 2° С (за 10 мин), то такой пол нужно считать холодным.

В условиях жилых зданий человек, в основном, находится обутым. Очевидно, в значительной степени верхняя и нижняя границы оптимальной температуры пола зависят от вида обуви, ее теплопроводности. Обе границы должны быть соответственно выше для легкой обуви по сравнению с теплоустойчивой. Естественно, что для человека, носящего зимнюю обувь в помещении, верхняя и нижняя границы температуры пола должны быть ниже, чтобы при комнатной температуре температура ног была нормальной. Отсюда следует, что учет вида обуви необходим для того, чтобы установить границы температуры пола. Учитывая общую тенденцию к облегчению домашней одежды современного человека, на наш взгляд, следует ориентироваться скорее на легкую обувь, чем на массивную. Опыты, проведенные на людях в легкой обуви, показали, что температура поверхности пола в 29° не причиняла дискомфорта сидящим испытуемым в течение трехчасового опыта. При более кратковременном пребывании (1 час) — верхней границей температуры пола является 35° для сидящих людей, а для стоящих — 30° из-за их постоянного контакта с ним. При длительном пребывании в помещении допустимой температурой пола является 28°, а для помещений, в которых люди находятся стоя или перемещаются медленно, таковой является температура 25°. Оптимальные температуры пола составляют 24—28° при температурах воздуха 18, 0—21, 0°. Для ненагреваю-щихся полов для человека в легкой обуви предельно низкой температурой пола является 17—18° С.

В помещениях, где люди могут находиться без обуви (ванная, спальня), и температура пола, и материал, из которого сделан пол, играют особенно важную роль для обеспечения теплового комфорта ног. Так, установлено, что на бетонном полу с необутой ноги теплосъем в 4 раза превышает теплопотери, на деревянном полу и теплоотдача со стопы составляют на деревянном полу 4% от всей теплоотдачи тела, а на бетонном — 13%. Бетонный пол имеет более высокий коэффициент теплопотери, чем деревянный пол, и поэтому ощущение холода от него будет сильнее, так как контактная температура будет ниже. Помимо температуры пола важное значение имеет температура воздуха в припольном слое. Обычно допускается понижение температуры воздуха на 2—3° в области ног на уровне лодыжек. Если говорить об энергетических размерностях, то человек не испытывает состояния дискомфорта, когда тепловой поток с подошвы равен 80—90 ккал/(м2-ч) (334—376 кДж). Наиболее близкие к этому величины наблюдаются при температуре пола 25°. Предельной температурой нагрева поверхности пола должна быть 30° С во избежание создания в помещении дискомфортных условий и повреждения пола. Конвективные формы обогрева, очевидно, в наиболее «чистом» виде представлены воздушным отоплением. Системы воздушного отопления в жилых и общественных зданиях известны давно. Еще в конце XVIII столетия во многих городах Западной Европы имелись системы воздушного («духового») отопления. Таковы, например, системы, предложенные Мо-литором в Германии, Курандо во Франции, Гойлем в Англии. В России в тот же период появились системы Львова, применившего огневые калориферы и рециркуляцию воздуха, что создавало загрязнение воздуха, поступавшего в помещения для целей отопления.

В XIX столетии в России известность получили системы воздушного отопления, предложенные инженером Амосовым. Из-за опасности распространения воздушных инфекций (в случае их возникновения в одной из отапливаемых воздухом комнат) и в связи с широким распространением системы водяного отопления, применение систем воздушного отопления в общественных зданиях стало сокращаться, а в жилых зданиях их перестали применять совершенно. За рубежом системы воздушного отопления, благодаря некоторым техническим новшествам, увеличивающим их экономичность, находили некоторое применение в небольших домах. Принцип действия всех этих систем заключается в подаче в помещения нагретого воздуха. Системы воздушного отопления могут быть рециркуляционные с частичной рециркуляцией и прямоточные. При применении систем воздушного отопления с частичной рециркуляцией и прямоточных наряду с отоплением осуществляется вентиляция помещений. Наружный воздух обрабатывается в приточных камерах. Для систем без механического побуждения производится нагревание воздуха, для систем с механическим побуждением — очистка, нагревание воздуха и при необходимости его увлажнение.

Из приточной камеры нагретый до 40—60°, очищенный воздух подается под потолком помещения. Омывая потолок, он подогревает его и последний передает тепло в помещение излучением. От приточного отверстия воздух под потолком направляется к холодным стенам и окнам, где происходит его дальнейшее остывание и вместе с тем обогрев охлаждающихся поверхностей. Все это приводит к тому, что по теплотехническим параметрам микроклимат помещений с воздушным отоплением, совмещенным с вентиляцией, вполне удовлетворителен. Вместе с тем, общая гигиеническая оценка данной системы в целом не является положительной.

Так, в частности, отмечается, что высокая температура поверхности калориферов, подогревающих воздух, способствует пригоранию пыли и повышению загазованности воздуха, большие скорости подачи воздуха могут усиливать токи воздуха, его запыленность и нарушать организованный воздухообмен. Кроме того, система создает иногда излишний шум, струя нагретого воздуха быстро спускается в зону пребывания человека. Обнаружена излишняя сухость воздуха, отсюда необходимость его увлажнения. Отмечается высокая запыленность воздуха в помещениях (И. Л. Винокур). При очистке подаваемого воздуха на фильтрах концентрация пыли в воздухе, поступающем в помещения, была в среднем 0, 2+0, 05 мг/м3. При отсутствии пылеулавливающих фильтров концентрация пыли в подаваемом в помещения воздухе составляла уже 0, 29+ +0, 08 мг/м3. Отмечено значительное накопление пыли в камере подогрева, концентрация ее была в 2, 5 раза выше, чем в приточном воздухе. От населения, проживающего в домах, оборудованных воздушным отоплением, поступили жалобы на неблагоприятный микроклимат (перегрев и охлаждение помещений), накопление пыли в помещении и повышенный (37— 38 дБ) уровень шума. К положительным качествам воздушного отопления следует отнести малую инертность при регулировке, обеспечивающую быстрый нагрев или охлаждение помещения, принципиальную возможность перехода от воздушного отопления к кондиционированию. К положительным качествам следует также отнести наличие лучистого компонента в обогреве помещений. Источником его являются нагретые панели — потолок и внутренние стены, в которых проходят вертикальные воздуховоды. Однако на долю теплоизлучения приходится лишь около 10% общих теплопо-ступлений, остальные 90% тепла поступают в помещение конвекционным путем (нагретый воздух).

В целом следует сказать, что воздушное отопление, совмещенное с вентиляцией, представляет, казалось бы, идеальное решение для гражданских зданий. Однако перманентно имеющиеся жалобы населения, проживающего в зданиях, оборудованных данной системой, послужили причиной того, что данный вид отопления на сегодня практически не имеет широкого распространения.

Итак, мы рассмотрели основные инженерные системы отопления. Каково же соотношение конвективной, лучистой и кондуктивной составляющей при разных системах кондиционирования микроклимата?

Интенсивность конвективного теплообмена прибора зависит от его высоты. Нижняя часть прибора омывается холодным воздухом и отдает больше тепла, чем верхняя, которая омывается более теплым воздухом. Чем выше прибор, тем меньше в среднем по его поверхности отдача конвективного тепла. В этом отношении наилучшими являются низкие приборы, например, в виде горизонтально расположенных в один ряд гладких или оребренных труб. Лучистый теплообмен приборов зависит от их конструкции. Особенность лучистого теплообмена для таких приборов, как радиаторы, с рядом близрасположенных, а следовательно, взаимно закрывающих друг друга колонок, состоит в том, что большая часть излучения с их поверхности не попадает в помещение. Только 20— 30% излучаемого тепла передается помещению. Для приборов с сильно оребренными поверхностями (типа конвекторов без кожуха) доля излучения со всей их внешней поверхности, попадающая в помещение, составляет всего 5—10% общей теплоотдачи. Если прибор закрыт экранирующим устройством (конвектор с кожухом) или его загораживает мебель, то теплоотдача еще более уменьшается. В названии различных систем лучистого обогрева имеет место определенное разночтение, что, по-видимому, отражает разницу в выходе разных видов тепла при разных модификациях систем, при разном размещении теплоотдающих поверхностей (в горизонтальной или вертикальной плоскости помещения). Системы отопления с теплоотдающими поверхностями, расположенными в горизонтальной плоскости помещения (в конструкции пола и потолка), называются лучистыми, а системы отопления, расположенные в вертикальной плоскости помещения, панельными (В. Н. Богословский, 1970). Системы отопления с греющим потолком или полом, в которых средняя температура теплоотдающих поверхностей 26—35°, относятся к лучистым, так как средневзвешенная температура ограждений в помещении выше температуры воздуха помещений. Системы отопления с отопительными приборами, устанавливаемыми в вертикальной плоскости (под окнами, в массиве конструкций наружных стен или в стеновых перегородках), в которых температура поверхностей выше 70—75°, а теплоотдача излучением достигает 50%, относятся к конвективным, так как средневзвешенная температура ограждений в помещениях ниже температуры воздуха помещений.

В зарубежной технической литературе, где не делалось строгого различия между отдельными видами панельного отопления и все системы этого вида назывались лучистыми, вводится различие в наименованиях систем отопления греющим полом, потолком и стеновыми панелями.

Исследования И. Ф. Ливчака по лучистой и конвективной составляющей различных типов отопительных приборов показали, что панели передают тепло конвекцией в пределах от 40 до 50% и лучеиспусканием от 60 до 50%. В конвекторах и сильно оребренных приборах типа ребристых труб, плинтусных конвекторах без кожуха, но с оребрением, доля тепла, отдаваемая конвекцией, составляет 90— 95%, а лучеиспусканием — 5—10%.

Считается, что наилучшим отопительным эффектом (отношение количества отдаваемого прибором тепла для создания в помещении заданных тепловых условий к расчетным потерям тепла) обладают панельно-лучистые приборы, установленные в верхней зоне помещения или встроенные в конструкцию потолка. По данным Мачкаши, у таких приборов отопительный эффект равен 0, 9—0, 95, т. е. теплоотдача потолочных панелей-излучателей может быть даже несколько ниже расчетных теплопотерь помещения, без ухудшения комфортности внутренних условий. У нагретой поверхности пола отопительный эффект равен около 1, 0.

Наиболее распространенные приборы-радиаторы обычно устанавливают в нишах или около поверхности наружной стены. Поверхность за радиатором сильно перегревается и тепло бесполезно теряется через эту часть наружной стены. Отопительный эффект радиаторов оценивают величиной 1, 04—1, 06. Лучше радиаторов оказываются конвекторы, располагаемые вдоль наружной стены. Отопительный эффект, например, плинтусного конвектора примерно равен 1, 03. Подоконная панель, встроенная в конструкцию наружной стены, имеет заметные бесполезные потери тепла и ее отопительный эффект приблизительно равен 1, 1.

Передача тепла путем проведения (кондукцией) имеет место в помещении в случаях, когда какая-либо часть поверхности тела входит в непосредственный контакт с другим твердым телом: пол и подошва для человека, находящегося в положении стоя, седалище и сиденье для сидящего человека, почти все тело и постель при положении человека лежа. Перемещение теплового потока проведением совершается через тело, которое считают гомогенным и изотропным и которое имеет определенную поверхность и определенную толщину. В физиологическом плане перенос тепла путем проведения необходимо учитывать лишь в случае, когда он совершается между поверхностью тела и другим твердым телом. Из известной формулы Фурье вытекает, что физиологическими средствами изменить поток тепла, переносимого путем проведения, можно изменением поверхности контакта между кожей и твердым телом или изменением температуры контактирующей поверхности тела человека. Из этой же формулы следует, что техническими средствами изменения потока тепла, переносимого путем проведения, являются: а) изменение величины поверхности контакта между кожей и твердым телом; б) изменение толщины и теплопроводности этого твердого тела; в) изменение температуры данного твердого тела.

Передача тепла путем проведения заслуживает особого внимания с позиций гигиены, в основном, лишь при изучении вопроса об оптимальной и допустимой температуре пола в помещении.

Необходимо подчеркнуть, что при разрешении различных практических задач по обогреванию помещений приходится иметь дело не с конвекцией, радиацией и кондукцией в чистом виде, а с процессом т. н. сложного теплообмена, при котором тепловое излучение всегда сопровождается конвекцией и наоборот. Однако, учет удельного веса конвективной, кондуктивной и лучистой составляющей позволяет сориентироваться в определении ведущего фактора при какой-либо конкретной системе. Поэтому такой учет необходим при гигиенической оценке различных инженерных систем обеспечения микроклимата помещений.

Возможна ли экономия энергии и топлива за счет существенного снижения температуры воздуха в помещении? Наши экспериментальные исследования в камере микроклимата показали, что оптимальной температурой для холодного периода года является температура воздуха 20, 0—22, 0°. Тенденция к предпочтению более высокой температуры воздуха с целью обеспечения теплового комфорта обнаруживается в последние десятилетия не только за рубежом, но и в нашей стране, что объясняется значительными изменениями теплоизоляционных свойств наружных ограждающих конструкции зданий с высоким про-Центом^ остекления и изменением домашней ОдежДы в сторону ее облегчения. Некоторое повышение температуры воздуха в жилище и общественных зданиях с гигиенических позиций представляется явлением положительным так как не только обеспечивает тепловой комфорт, но и позволяет человеку пользоваться одеждой из более легких тканей, что улучшает условия кожного дыхания.

Результаты наших натурных и камеральных исследований показали что это положение справедливо в зданиях не только с конвективным, но и с современными системами панельно-лучистого отопления. Установлено что тепловой комфорт человека в таких зданиях обеспечивается также при температуре 20, 0-22, 0° С. Таким образом, оптимальные температуры воз-ДУха в зданиях, оснащенных современными панельно-лучистыми и конвективными системами отопления, оказываются практически одинаковыми, хаким образом, не подтверждается высказываемое некоторыми авторами положение о том, что при панельно-лучистых системах обогрева температура воздуха в помещениях может быть ниже, чем при конвективных системах отопления.

Утверждение о возможности снижения температуры воздуха при па-нельно-лучистом отоплении (Г. П. Сальников, Н. К. Пономарева) справедливо для особых частных случаев, когда имеет место наличие больших площади излучения. По нашим камеральным данным, лучистую компоненту в этом случае должны давать практически все ограждения: стены, потолок, пол. При малой же площади излучения, что характерно для строительства последних лет, лучистая составляющая не превышает 50-60% и приближается к таковой при радиаторном отоплении (И. Ф. Ливчак, Л. П. Ананикян, И. Т. Ральчук). Такое своеобразие баланса лучистой и конвективной составляющей обусловливает выявленную нами недопустимость повышенной подвижности воздуха в помещениях с современными системами панельного отопления: превышение скорости движения воздуха в зоне пребывания чело-9оКпо, (при температуре воздуха 20, 0— 22, 0) свыше 0, 10 м/с обусловливает четко выраженный тепловой дискомфорт. Преимуществом панельно-лучис-того отопления перед конвективным в рассматриваемом аспекте является следовательно, лишь более широкая возможность проветривания помещении при отсутствии в них людей, так как теплоемкость ограждений в первом случае значительно выше и выстыва-ния помещений при таком проветривании не происходит.

Учитывая, что тепловой комфорт человека в помещении в значительной степени определяется интенсивностью инфракрасной радиации, а радиационный режим в современных зданиях отличается большой сложностью, одной из важных задач по обеспечению теплового комфорта внутренней среды является учет интенсивности инфракрасной радиации. В современных жилых и общественных зданиях, благодаря применению облегченных конструкций, «стек-ломании» нередко наблюдается неблагоприятный радиационный режим вследствие перегрева летом и переохлаждения помещений зимой. Дискомфорт, обусловленный низкой температурой наружных ограждений и остекления, особенно нетерпим так как лучистые теплопотери по сравнению с равновеликими теплопотерями конвекцией, приводят к охлаждению глубоколежащих тканей человека, при этом нарушается стереотип отдачи тепла, замедляется ответная реакция со стороны сосудистой системы и газообмена (А. Е. Малышева, Б. Б. Кой-ранский), что, в конечном счете, отрицательно сказывается на иммунобиологической реактивности и общем состоянии организма. Вместе с тем недопустим и тепловой дискомфорт (перегрев), который в закрытом помещении может иметь место и при комфортной температуре воздуха вследствие воздействия длинноволновой инфракрасной радиации, нередко весьма значительной вблизи приборов отопления. До настоящего времени радиационный режим жилых и общественных зданий регламентируется допустимой температурой поверхностей нагревательных приборов, панелей и температурным перепадом внутренний воздух — ограждения. Однако данные характеристики являются не прямыми, а косвенными показателями интенсивности облучения поверхности тела человека инфракрасными лучами, к которым человек весьма чувствителен при неправильной организации лучистого теплообмена в помещении. В современных условиях такой подход к нормированию становится недостаточным для оценки теплообмена человека и обеспечения теплового комфорта вследствие появления новых ограждающих конструкций и систем отопления, особенно лучистых, характеризующихся нередко неравномерным нагревом внутренних поверхностей помещений. Возникает необходимость разработки нормативов оптимальной интенсивности инфракрасной радиации, т. е. норм облученности, поскольку именно плотность лучистого потока на корпус человека в совокупности с другими факторами микроклимата определяет тепловой комфорт или дискомфорт человека. С теплофизической и гигиенической точки зрения такой подход к нормированию радиационного режима представляется перспективным и величина облученности уже использовалась специалистами для характеристики теплового режима помещений (И. Ф. Лив-чак, Е. А. Насонов).

Показатели интенсивности теплового излучения имеют универсальный характер и особенно удобны при неравномерном нагреве зеркала излучения. Важным преимуществом нормирования радиационного фактора по величине облученности является возможность использования норм в теплотехнических расчетах систем отопления и охлаждения, поскольку облученность однозначно характеризует интенсивность лучистого потока от окружающих поверхностей в любой точке помещения.

В сочетании с нормативами температуры воздуха и ограждений показатели интенсивности инфракрасной радиации дают возможность получать более полную информацию о темпе-ратурно-радиационном режиме в помещении. Опираясь на данные нормативы, можно прогнозировать характер лучистого теплообмена человека, возможность его асимметричности. Возможно также определение величины комфортной и дискомфортной площади в помещениях при разных системах отопления и различном размещении нагревательных приборов, что имеет важное значение для прогнозирования оптимальных инженерных систем. Так, наши исследования показали, что при наружно-стеновой системе отопления часть жилой площади комнаты, на которой обеспечивается тепловой комфорт, составляет 97, 0%, а при перегородочной системе отопления — лишь 72, 0% общей площади помещения. Это означает, что в последнем случае 28%, т. е. почти треть жилой площади выпадает из активного использования населением, причем эта потеря приходится на наиболее ценную часть помещения — приоконную зону, где обычно занимаются творческим и домашним трудом, где дети готовят уроки и играют.

Сравнительная гигиеническая оценка, построенная на изучении полей интенсивности инфракрасной радиации, выявила преимущество наружно-стеновой системы отопления перед остальными системами, поскольку она обеспечивает оптимальные по уровню и равномерности параметры поля лучистой энергии, равномерный температурный режим и наилучшую защиту приоконной зоны помещений от охлаждения. Неполноценными с гигиенической точки зрения оказались ри-гельные и перегородочные системы с сосредоточенным расположением нагревательных элементов во внутренних стенах: зона отрицательного воздействия наружных ограждений и отопительных панелей при этой системе максимальна, что значительно ограничивает возможность использования помещений человеком и вызывает жалобы населения в связи с затруднением в организации мест отдыха, невозможностью длительно находиться вблизи от панелей вследствие перегрева.Тепловой комфорт человека в помещениях с приборами отопления как панельно-лучистого, так и конвективного типа зависит не только от количества поступающего тепла, но и от места расположения нагревательных приборов, наличия или отсутствия экрана (применительно к конвекторам). Изменение микроклимата помещений, оснащенных конвективными системами отопления без организованного воздухообмена (радиаторы, конвекторы), показало, что наиболее благоприятный тепловой режим отмечается в помещениях с экранированными конвекторами. При отоплении неэкранированными конвекторами наблюдается низкая температура наружных ограждений. При радиаторной системе отопления почти по всем показателям микроклимата зарегистрированы уровни, отвечающие гигиеническим требованиям. Конвективные сиртемы мелиорации микроклимата с организованным воздухообменом (воздушное отопление, кондиционирование воздуха) обеспечивают возможность направленного воздействия струи подаваемого, прошедшего тепловую обработку, воздуха на наружные ограждения и остекление, устраняя тем самым холодовои дискомфорт в приоконной зоне и создавая достаточно благоприятный тепловой режим в помещениях.

Гигиеническое прогнозирование путей оптимизации внутренней среды помещений в отношении обеспечения теплового комфорта должно базироваться, очевидно, не только на количественной характеристике микроклимата помещений и теплообмена человека, но и на знании особенностей формирования внутренней среды помещений и биологическом действии отдельных факторов при разных формах управления этой средой. В частности, при обосновании предпочтительности тех или иных инженерных систем с разными формами обогрева необходимо знание биологического действия лучистого и конвективного тепла. еоретической предпосылкой для такого утверждения и проведения соответствующих исследований послужили полученные ранее В. А. Левицким и И. П. Разенковым (1939) данные о более благоприятном биологическом действии лучистого тепла по сравнению с конвективным.

В ходе наших собственных исследований было установлено, что содержание животных в условиях воздействия лучистого тепла оптимальных параметров обеспечивает более благоприятные уровни ряда физиологических и биохимических показателей по сравнению с животными, содержащимися при прочих равных условиях, но под воздействием конвективного тепла: у животных первой группы обнаружена большая сопротивляемость к инфекции, повышение фагоцитарной активности лейкоцитов крови, усиленное поступление аскорбиновой кислоты в кровяное русло, повышение функционального состояния ретикулоэндоте-лиальной системы печени. Исследование газообмена, динамики прироста веса животных и биохимические исследования показали, что в условиях лучистого обогрева оптимальных параметров организм функционирует на более экономном по сравнению с конвективным обогревом энергетическом уровне вследствие уменьшения расхода энергии на теплопродукцию за счет поступления экзогенного тепла в виде лучистой энергии, о чем свидетельствовало уменьшение расхода аде-зинотрифосфорной кислоты (АТФ) в мышцах и печени. Положительное действие лучистого тепла оптимальной для организма интенсивности проявлялось и в нормализации обмена у старых животных, благодаря которому некоторые измененные возрастом показатели энергетического обмена возвращались к показателям, характерным для молодого организма.

Полученные нами результаты в опытах на животных в целом свидетельствуют о позитивной роли длинноволновой инфракрасной радиации оптимальной для организма интенсивности и позволяют говорить об известной предпочтительности лучистого обогрева конвективному. Вместе с тем наши наблюдения за людьми показали, что хотя при правильной дозировке лучистого обогрева последний в тепловом отношении практически и не отличается от конвективного, однако, передозировка лучистого тепла приводит к большому его накоплению в «оболочке» тела и, следовательно, может легче привести к перегреву. Исследования на животных, в свою очередь, показали, что дискомфортно высокие в тепловом отношении интенсивности инфракрасной радиации помимо перегрева обусловливают и ряд отрицательных сдвигов в метаболических процессах и вызывают напряжение функций организма, о чем говорит снижение содержания аскорбиновой кислоты, нуклеиновых кислот, явления гиперамии во внутренних органах, усиление деятельности адреналовой системы надпочечников — что в целом свидетельствует о необходимости особой тщательности при учете воздействия лучистого тепла. К сожалению, в настоящее время данный фактор очень редко принимается во внимание специалистами технического профиля при проектировании и эксплуатации отопительных систем.