Способ оценки комфортности микроклимата в помещениях жилых, общественных и административных зданий
ESTIMATION METHOD OF MICROCLIMATE COMFORT IN PREMISES OF HABITABLE, PUBLIC AND OFFICE BUILDINGS

Изобретение относится к системам контроля эффективности работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования жилых, общественных и административных зданий и может быть использовано при проектировании, реконструкции и оптимизации режимов работы указанных систем, а также при разработке и внедрении энергосберегающих мероприятий.
Широко известны способы определения комфортности микроклимата, включающие измерения и оценки отдельных его составляющих: температуры, подвижности, относительной влажности воздуха помещений, а также характеристик теплового излучения. Примером может служить ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», а также СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений».
Существенным недостатком данных способов является пренебрежение качеством воздуха, а также взаимным влиянием факторов микроклимата друг на друга и на организм человека.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ оценки комфортности рабочей зоны по параметрам микроклимата (патент на изобретение RU №2509322, МПК G01W 1/02, 2012 г.), принятый за прототип. Указанный способ заключается том, что сначала осуществляют замер температуры воздуха по психрометру, затем замеряют влажность воздуха по стационарному психрометру и определяют скорость движения воздуха по анемометрам, затем на основании полученных параметров - температуры воздуха в рабочей зоне, его влажности и скорости движения, а также температуры окружающих поверхностей в рабочей зоне - рассчитывают степень комфортности по следующей формуле:
B
O
B
S=7,83-0,1t-0,0968t-0,0372Р+0,18v(37,8-t),
B
O
где t - температура воздуха в рабочей зоне производственного помещения; t - температура окружающих поверхностей в рабочей зоне; v - скорость движения воздуха, м/с;
Р - парциальное давление водяных паров, рассчитываемое по формуле:
нас
Р=0,01ϕ×Р, мм рт.ст.,
нас
где ϕ - относительная влажность воздуха, %; Р - парциальное давление водяного пара в насыщенном состоянии, после чего оценивают комфортность параметров микроклимата по следующей шкале: 1 - очень жарко; 2 - слишком тепло; 3 - тепло, но приятно; 4 - чувство комфорта; 5 - прохладно, но приятно; 6 - холодно; 7 - очень холодно; отличающийся тем, что при этом осуществляют замеры: температуры воздуха и его влажности по стационарному психрометру типа ВИТ-2, скорости движения воздуха по цифровому анемометру ATE-1034, а температуры окружающих поверхностей в рабочей зоне - с помощью контактного термометра с погружаемым зондом типа ТК5.01М.
Недостатком указанного решения является применимость исключительно к помещениям производственного назначения и отсутствие учета взаимного влияния параметров друг на друга и на комфортность микроклимата.
Технический результат заключается в повышении точности определения уровня комфортности помещений жилых, общественных и административных зданий за счет расширения спектра параметров, учитываемых при оценке уровня комфортности микроклимата, а также анализа вредностей, характерных только для помещений жилых, общественных и административных зданий.
1
1
н
ф
н
Технический результат достигается тем, что в способе оценки комфортности микроклимата в помещениях жилых, общественных и административных зданий, заключающемся в измерении в помещении температуры воздуха, относительной влажности, подвижности воздуха, температуры окружающих поверхностей, предварительно определяют преимущественный тип и характеристики выполняемой работы, а также сопротивление теплопроводности преимущественного типа одежды людей, дополнительно измеряют температуру поверхности одежды человека, концентрацию диоксида углерода в воздухе обследуемого помещения и в наружном воздухе, вычисляют составляющие уравнения теплового баланса человека, рассчитывают коэффициент комфортности теплового состояния человека k по формуле: k=(q-q)/q,
н
ф
2
где q - количество тепловой энергии, которое необходимо удалить с поверхности тела человека для обеспечения его комфортного теплового состояния при заданном типе выполняемой в помещении работы, q - количество теплоты, фактически удаляемое с поверхности тела человека (Вт/м).
Рассчитывают значение асимметрии радиационного излучения по формуле:
a
p,max
p,min
Δt=t-t,
p,max
где t - максимальная температура окружающих поверхностей помещения, °С;
p,min
t - минимальная температура окружающих поверхностей помещения, °С;
2
Определяют значение коэффициента радиационного охлаждения k:
в
p,min
2
н
л,т
н
л,т
в
при t-t>2 вычисляют по формуле: k=(q-q)/q, где q - лучистый тепловой поток, уходящий с поверхности тела человека на самую холодную окружающую поверхность помещения, t - температура воздуха в помещении, °С,
в
p,min
2
при t-t≤2 принимают k=1.
3
Определяют значение коэффициента асимметрии радиационных потоков k:
a
0
0
при Δt>3,9+1,8 R, где R - сопротивление теплопроводности преимущественного типа одежды людей в помещении, кло
3
a
a
2
вычисляют по формуле: k=1-0,01(0,17Δt+0,72Δt-2,12),
a
0
3
при Δt≤3,9+1,8 R принимают k=1.
п
о
Рассчитывают избыточную концентрацию С диоксида углерода в помещении по формуле: С=С-С,
п
o
где С - концентрации двуокиси углерода в воздухе помещения, ppm; С - концентрации двуокиси углерода в наружном воздухе, ppm.
4
Определяют значение коэффициента качества воздушной среды k:
4
при С>400 вычисляют по формуле: k=-0,00045С+1,18,
4
при С≤400 принимают k=1.
Вычисляют уровень комфортности микроклимата по формуле:
1
2
3
4
W=k⋅k⋅k⋅k,
и оценивают уровень комфортности микроклимата по следующей шкале:
Способ реализуется следующим образом.
2
2
мт
0
Сначала определяют преимущественный тип и характеристики работ, выполняемых в обследуемом помещении (метаболистическую теплоту, отнесенную к 1 м поверхности тела человека - q, Вт/м; коэффициент полезного действия механической работы - η; относительную скорость движения в неподвижном воздухе - v, м/с).
0
Определяют сопротивление теплопроводности R, кло, преимущественного типа одежды людей в помещении.
в
о
p,i
2
п
2
o
p,max
p,min
3
3
3
3
Проводят измерения температуры воздуха t, °С; относительной влажности воздуха ϕ, %; температуры поверхности одежды человека t, °С; подвижности воздуха - ν, м/с; температуры окружающих поверхностей t, °С, в трех точках, удаленных друг от друга более чем на 0,5 м; концентрации двуокиси углерода (СО) в воздухе обследуемого помещения С, см/м (ppm) и концентрации двуокиси углерода (СО) в наружном воздухе - С, см/м (ppm). Измерения проводятся, например, многофункциональным измерительным прибором testo-435-1 либо иными сертифицированными измерительными средствами, внесенными в Государственный реестр средств измерений. Выбирают максимальную t и минимальную tтемпературы окружающих поверхностей помещения.
Вычисляют составляющие уравнения теплового баланса человека.
Тепловой поток, который необходимо удалять излучением и конвекцией с поверхности тела человека для обеспечения его комфортного теплового состояния, рассчитывают по формуле:
н
тп
дп
ип
дс
дя
q=q-q-q-q-q,
тп
2
где q - внутренняя теплопродукция тела человека, Вт/м;
дп
2
q - теплопотери через кожу за счет диффузии паров, Вт/м;
ип
2
q - теплопотери с поверхности кожи при испарении влаги, Вт/м;
дс
2
q - скрытые теплопотери при дыхании, Вт/м;
дя
2
q - явные теплопотери при дыхании, Вт/м.
Внутреннюю теплопродукцию тела человека рассчитывают как
тп
мт
q=q(1-η),
мт
2
где q - метаболистическая теплота (энергия процесса окисления, происходящего в теле человека), отнесенная к единице поверхности тела человека, Вт/м;
η - коэффициент полезного действия механической работы.
дп
Теплопотери через кожу человека за счет процесса диффузии паров q вычисляют по формуле:
дп
к
в
q=0,41(1,92t-25,3-р),
к
где t - температуры кожи человека;
к
тп
мт
t=35,7-0,032⋅q=35,7-0,032⋅q(1-η);
в
р - парциальное давление водяных паров во влажном воздухе, мм рт.ст.:
Количество теплоты, затрачиваемое на испарение жидкости с поверхности тела человека, рассчитывают по выражению:
ип
тп
МТ
q=0,49(q-50)=0,49(q(1-η)-50).
Скрытую теплоту, выделяемую в процессе дыхания, рассчитывают по формуле:
дс
мт
в
q=0,0027q(44-р).
Явную теплоту, выделяемую в процессе дыхания, рассчитывают по формуле:
дя
мт
в
q=0,0014q(34-t).
Тепловой поток, фактически удаляемый с поверхности тела человека конвекцией и излучением, вычисляют как:
ф
л
к
q=q+q,
л
2
где q - потери теплоты с поверхности одежды и непокрытой одеждой поверхности тела человека за счет излучения, Вт/м;
к
2
q - потери теплоты с поверхности одежды и непокрытой одеждой поверхности тела человека за счет конвекции, Вт/м.
Тепловой поток, уходящий с поверхности одежды человека за счет излучения, рассчитывают по формуле:
л
о
p,о
-8
4
4
q=3,629⋅10⋅[(t+273)-((t+273)],
p,о
где t - средняя радиационная температура помещения, которую для приближенных расчетов принимают на 2°С ниже температуры воздуха:
р,о
в
t=t-2.
Рассчитывают конвективный тепловой поток, уходящий с поверхности тела человека:
- в неподвижном воздухе (v=0 м/с):
к
о
в
1,25
q=2,4(t-t);
- при вынужденной конвекции и 0,1<ν<2,6 м/с:
1
Вычисляют коэффициент комфортности теплового состояния человека k:
Далее учитывают влияния на уровень комфортности радиационного охлаждения. Для этого вычисляют лучистый тепловой поток, уходящий с поверхности тела человека на самую холодную поверхность помещения:
л,т
o
p,min
-8
4
4
q=0,605⋅10[(t+273)-((t+273)].
2
Коэффициент радиационного охлаждения k:
в
p,min
- при t-t≤2:
2
k=1;
в
р,min
- при t-t>2:
Рассчитывают влияние на уровень комфортности асимметрии радиационного излучения. Для этого вычисляют значение асимметрии радиационного излучения по формуле:
a
p,max
p,min
Δt=t-t.
3
Коэффициент асимметрии радиационных потоков k:
a
0
- при Δt≤3,9+1,8R:
3
k=1;
a
0
-при Δt>3,9+1,8R:
2
Далее определяют влияние на уровень комфортности качества воздушной среды. С этой целью рассчитывают избыточную концентрации СО в помещении:
п
о
С=С-С.
4
И определяют коэффициент качества воздушной среды k:
- при С<400:
4
k=1;
- при C>400:
4
k=-0,00045⋅С+1,18.
Затем вычисляют уровень комфортности микроклимата по формуле
1
2
3
4
W=k⋅k⋅k⋅k.
Соответствующую уровню степень комфортности определяют по шкале.
Пример реализации предложенного способа
Требуется определить уровень комфортности в помещении учебной лаборатории, если:
мт
0
o
2
метаболистическая теплота, характерная для данного типа работ, - q=93 Вт/м, КПД механической работы - η=0; относительная скорость в неподвижном воздухе - v=0 м/с. Присутствующие в помещении учащиеся одеты в легкие брюки и рубашки с коротким рукавом, ориентировочное сопротивление теплопередаче одежды - R=0,5 кло.
Экспериментальные значения параметров микроклимата определяем при помощи многофункционального измерительного прибора testo-435-1:
в
температура воздуха в помещении t,=24°С;
относительная влажность воздуха в помещении ϕ=15%;
подвижность воздуха в помещении ν=0,05 м/с;
o
средняя температура поверхности одежды учащихся t=29°С;
p,min
минимальная температура окружающих поверхностей t=14°С,
p,max
максимальная температура окружающих поверхностей t;=20°С;
п
концентрация диоксида углерода в воздухе помещения С=350 ppm;
о
концентрация диоксида углерода в наружном воздухе С=30 ppm.
Внутренняя теплопродукция тела человека:
тп
мт
2
q=q(1-η)=93⋅(1-0)=93 Вт/м.
Температура кожного покрова человека:
к
тп
мт
t=35,7-0,032⋅q=35,7-0,032⋅q(1-η)=35,7-0,032⋅93=32,7°С.
Парциальное давление водяных паров во влажном воздухе:
Потери теплоты через кожу человека за счет диффузии паров:
дп
к
в
2
q=0,41(1,92t-25,3-р)=0,41(1,92⋅32,7-25,3-27,09)=4,26 Вт/м.
Количество теплоты, затрачиваемое на испарение жидкости с поверхности тела:
ип
тп
мт
2
q=0,49(q-50)=0,49(q(1-η)-50)=0,49(93-50)=21,07 Вт/м.
Скрытая теплота, выделяемая в процессе дыхания:
дс
мт
в
2
q=0,0027q(44-р)=0,0027⋅93(44-27,09)=4,25 Вт/м.
Явная теплота, выделяемая в процессе дыхания:
дя
мт
в
2
q=0,0014q(34-t)=0,0014⋅93(34-24)=1,302 Вт/м.
Тепловой поток, который необходимо удалять излучением и конвекцией с поверхности тела человека для обеспечения его комфортного теплового состояния:
н
тп
дп
ип
дс
дя
2
q=q-q-q-q-q=93-4,26-21,07-4,25-1,302=62,12 Вт/м.
Тепловой поток, уходящий с поверхности одежды человека за счет излучения:
л
o
p,o
-8
4
4
-8
4
4
2
q=3,629⋅10⋅[(t+273)-(t+273)]=3,629⋅10⋅[(29+273)-(22+273)]=33,78 Вт/м;
где средняя радиационная температура помещения:
p,o
в
t=t-2=24-2=22°С.
Конвективный тепловой поток, уходящий с поверхности тела человека за счет конвекции:
Тепловой поток, удаляемый фактически с поверхности человеческого тела посредствам конвекции и теплового излучения:
ф
л
к
2
q=q+q=33,78+13,53=47,31 Вт/м.
1
Показатель комфортности теплового состояния человека k:
Лучистый тепловой поток, уходящий с поверхности тела человека на самую холодную поверхность помещения:
л,т
o
p,min
-8
4
4
-8
4
4
q=0,605⋅10⋅[(t+273)-((t+273)]=0,605⋅10⋅[(29+273)-(14+273)]=9,46.
в
p,min
t-t=24-14=10°C.
в
p,min
Коэффициент радиационного охлаждения при t-t>2:
a
Асимметрия радиационного излучения Δt:
a
p,min
p,min
Δt=t-t=20-14=6°C.
0
3,9+1,8R=3,9+1,8⋅0,5=4,8.
a
0
Коэффициент асимметрии радиационного излучения при Δt>3,9+1,8R:
2
Рассчитываем избыточную концентрацию СО в помещении:
п
о
С=С-С=350-30=320 ppm.
4
При С<400 k=1.
Вычисляем уровень комфортности микроклимата по формуле:
1
2
3
4
W=k⋅k⋅k⋅k=0,24⋅0,85⋅0,92⋅1=0,19.
Делаем вывод об уровне комфортности, по шкале уровень комфортности, равный W=0,19, соответствует состоянию человека «тепло, но комфортно».