Тепловой комфорт в помещении

Состояние теплового комфорта человека в помещении отвечает такому сочетанию вышеназванных метеорологических параметров, при котором организм находится в состоянии близком к тепловому равновесию, терморегуляция осуществляется без напряжения, и сочетание этих параметров положительно оценивается большинством находящихся в помещении людей.

Условия теплового комфорта формулируются разными исследователями неодинаково, имеются различия в количественных оценках.

Американскими исследователями в 40-х годах были выполнены работы, в которых совместное влияние метеорологических параметров на теплообмен человека в помещении выражалось с помощью некоторой обобщающей температуры.

Вводилась эффективная температура (ЭТ), которая при неподвижном ненасыщенном воздухе у большинства людей соответствовала таким же тепловым ощущениям, какие они испытывали при сочетании заданных параметров воздуха в помещении: температуры t_в и влажности φ _в (величина φ _в указывается сочетанием температур воздуха по сухому t_в и мокрому термометру t_м).

Более обобщенный параметр – эквивалентная эффективная температура (ЭЭТ) дополнительно к t_в, φ _в учитывает влияние подвижности воздуха в помещении v_в.

Для определения этих величин была составлена диаграмма (карта) ЭЭТ, на которой указаны зоны и средние линии теплового летнего и зимнего комфорта.

В отечественной практике [1] применяются дваусловия теплового комфорта.Первое условие комфортности устанавливает зону сочетаний t_в и t_R, при которых человек находясь в середине помещения не испытывает перегрева или переохлаждения за счет явного теплообмена.

Для холодного периода года это условие выражается формулой:

; (1.1)

для теплого периода года:

, (1.2)

где t_n(И) – температура помещения, зависящая от интенсивности труда, ориентировочные значения t_n(И):

- теплый период года: легкая работа - 26 °С, работа средней тяжести - 24 °С, тяжелая работа - 22 °С;

- холодный период года: легкая работа - 21 °С, работа средней тяжести - 18, 5 °С, тяжелая работа - 16 °С.

Для летних условий существенно влияние подвижности воздуха, поэтому летние значения t_n(И) корректируются в зависимости от величины v_в.

При понижении радиационной температуры t_R температура воздуха должна быть повышена и, наоборот, при повышении радиационной температуры – снижена. Эти обстоятельства являются основой обеспечения комфортных условий для человека в помещении.

Условия комфортности пребывания человека в отапливаемом помещении (рис.1.3) зависят от характера работы человека, особенностей его организма и местного климата.

Рис. 1.3. Область температур в помещении, обеспечивающая комфортное тепловое состояние человека: 1 – зона комфорта; 2 – зона допустимых отклонений; 3 – зона возможного перегрева

В летних условиях при возможном перегреве помещений, то есть с повышением радиационной температуры ограждающих поверхностей, гигиенически допустимая температура воздуха может быть понижена.

Второе условие комфортности ограничивает интенсивность лучистого теплообмена, когда человек находится вблизи нагретых или охлажденных поверхностей. Наиболее чувствительна к радиационному нагреву голова человека. Для предупреждения радиационного перегрева температура нагретых поверхностей потолков или стен должна отвечать условию:

, (1.3)

а для предотвращения переохлаждения – температура холодных поверхностей:

, (1.4)

где φ - коэффициент облученности элементарной площадки на голове человека в сторону нагретой или охлажденной поверхности. Для прямоугольной панели ориентировочно:

, (1.5)

где х – расстояние от человека до панели, м;

– характерный размер панели, м;

F - площадь панели, м².

Зона комфорта для летних условий может быть также определена по номограмме на рис. 1.4. На представленном рисунке жирной линией показана эффективная температура, которая обусловливает комплексное влияние факторов микроклимата. Данная температура соответствует температуре неподвижного насыщенного воздуха, который вызывает у человека тепловое ощущение, подобное тому, которое он испытывает в рассматриваемой воздушной среде. Условия, принятые в номограмме, соответствуют равенству температуры воздуха и радиационной температуры поверхностей ограждающих помещений при скорости движения воздуха до 0, 12 м/с.

Рис.1.4. Номограмма для определения эффективных температур
в теплый период года

Температура, соответствующая допустимым значениям по гигиеническим требованиям для поверхностей ограждающих конструкций, зависит и от высоты помещений. Это связано с тем, что при увеличении высоты в помещении усиливаются конвекционные воздушные потоки. В связи с этим, высота жилых помещений, допустимая, например, при мягком умеренном климате, становится гигиенически недопустимой для крайних южных районов.

В качестве основного показателя влажности воздуха внутри помещений принята относительная влажность φ, %.

На стадии проектирования важнейшей задачей является выбор параметров внутреннего воздуха, которые будут учитывать особенности местного климата. Для оценки и выбора оптимальных параметров микроклимата в настоящее время существуют различные методики. В практике часто используется метод В. Е. Коренькова.

Данный метод гигиенической оценки оптимальности выбора параметров микроклимата основан на единстве процесса теплообмена «человек-среда», который протекает непрерывно во времени и пространстве. Математическое выражение этого процесса в общем виде может быть представлено уравнением

, (1.6)

где d Q – теплоотдача человека в отрезок времени d z в определенных условных единицах измерения;

d H – комплексное воздействие среды на теплообмен человека во времени d z, выраженное в тех же условных единицах измерения;

K – возможная разность между количеством условных единиц измерения явлений теплообмена «человек-среда».

Различные сочетания характеристик воздушной среды оказывают разнообразное воздействие на теплообмен человека с окружающей средой. Оптимальные условия, определяющие тепловой комфорт помещения, Характеризуются динамическим равновесием теплообмена, т.е. достижением теплового баланса , где – теплоотдача человека в единицу времени, – тепло, воспринимаемое человеком от окружающей среды в ту же единицу времени. При таком динамическом равновесии состояния теплообмена величина K в уравнении (1.6) становится равной нулю и примет вид

. (1.7)

Уравнение (1.7) представляет собой выражение теплового баланса человека, как частного случая теплообмена «челочек среда» без учета его терморегуляции.

Комплексная гигиеническая характеристика микроклимата жилого помещения представлена в уравнениях (1.6) и (1.7) отношением .

Состояние среды меняется во времени и зависит от сочетания конкретных характеристик среды. Так, чем выше температуры и t_R и больше влагосодержание воздуха, тем с большим трудом протекает отдача тепла человеком. С увеличением скорости движения воздуха v в помещении отдача тепла с кожного покрова человека в окружающую среду протекает интенсивнее. Из этого следует, что повышение температуры и влагосодержания среды при прочих равных условиях оказывает на теплообмен человека действие, прямо противоположное действию скорости движения воздуха. Математически эта закономерность получает отражение в противоположных знаках значений в уравнении.

Для практического использования уравнения (1.7) необходимо раскрыть второй член, выразить его через четыре характеристики микроклимата в соразмерных условных единицах:

. (1.8)

Члены этого уравнения имеют различные физические единицы измерения (°С, г/кг, м/с), поэтому для выражения их в одинаковых условных единицах введены для каждого из членов уравнения переводные коэффициенты а ₀, а’, а”. Эти коэффициенты учитывают различную степень влияния на теплообмен каждой из четырех значений метеорологических характеристик среды, полученных эмпирическим путем, и одновременно являются коэффициентами преобразований.

В результате произведенных расчетов [2] получены следующие средние значения коэффициентов:

а ₀=0, 24; а’ =0, 1; а” =0, 09.

Для получения усредненной величины в условных единицах комплексного физического состояния среды уравнение (1.8) необходимо проинтегрировать по z от 0 до 1 и ввести в него усредненные значения четырех гигиенических параметров среды со своими переводными коэффициентами:

(1.9)

После такой подстановки получается формула определения нормативной величины для соответствующего района строительства и периода года:

(1.10)

На основании выражения (1.10) составлена таблица, представленная в приложении Ф и позволяющая определять действительные условия теплового комфорта жилого помещения в любом из четырех климатических районов, как в холодный, так и в теплый периоды.

Данные таблицы этой позволяют назначать различные сочетания проектных характеристик микроклимата помещения, выбирая экономически наиболее выгодный в данных конкретных условиях тепловой режим помещения.

Приведенные в приложении Ф нормативные значения в условных единицах могут иметь в определенных пределах колебания без ущерба для нормируемого теплового комфорта среды. Эти отклонения могут быть допущены в пределах единицы в обе стороны. Наличие отклонений не две или на три единицы будет свидетельствовать о дискомфортной обстановке соответственно первой или второй степени.

Современный подход к определению теплового комфорта базируется на исследованиях П.О. Фангера, который нашел отражение в европейских и американских стандартах. Данный подход постепенно включается в отече­ственные нормы и литературу для специалистов.

Согласно подходу определения теплового комфорта вводится показатель - прогнозируемая оценка качества воздушной среды, другое название - вероятная величина теплового комфорта - PMV (The Predicted Mean Vote). Экспериментальное определение этого показателя опирается на семибалльную шкалу, позволяющую численно оценивать субъективные теплоощущения каждого человека из группы испытуемых(таблица 1.1).

Анализ показал, что ощущение теплового комфорта в основном определяется температурой кожных покровов и количеством испаряемой влаги, которые зависят от уровня физической активности. Обобщая экспериментальные данные, П.О. Фангер получил связь между численными показателями шкалы с удельной метаболической теплотой (теплопродукцией организма), Вт/м², и удельной теплоотдачей поверхности тела человека, Вт/м².

Таблица 1.1