METHOD OF MEASURING COMFORT OF CONDITIONS OF SURROUNDING AIR MEDIUM FOR HUMAN BEING UNDER EFFECT OF CLIMATIC FACTORS AND DEVICE TO THIS END
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОМФОРТНОСТИ УСЛОВИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Предлагаемое изобретение относится к прикладной метеорологии, а именно к определению интенсивности и суммарного эффекта от воздействия климатических факторов, и предназначено для объективной оценки благоприятности (в частности - комфортности для жизнедеятельности человека) условий окружающей воздушной среды.
Известны способы оценки комфортности условий окружающей среды через интенсивность солнечного излучения, температуру окружающего воздуха и его относительную влажность, скорость воздушного потока, через атмосферное давление и концентрацию составляющих веществ воздушной смеси [1, 2].
Способы основаны на сопоставлении интервала метеопараметра - комфортного для человека, к текущему отклонению метеопараметра (от центра этого интервала) с последующим обобщением полученных результатов оценки комфортности по условной 10-бальной шкале.
Недостатком известных способов является произвольность отнесения полученного результата к тому или иному баллу условной шкалы.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ измерения мощности и суммарного эффекта от воздействия солнечного излучения. Способ основан на поглощении энергии солнечного излучения, преобразовании ее в тепло и далее в электросигнал поглощающего приемного элемента (первичного актинометрического преобразователя) для последующего измерения и интегрирования электросигнала по времени [3].
Недостатком известного способа является его ограниченные возможности, т.к. прием для объективного определения мощности и энергетического эффекта осуществляется только от воздействия солнечного излучения, не принимая во внимание другие климатические факторы такие, как давление окружающего воздуха, его влажность, состав и пр.
Известны актинометрические средства измерений, состоящие из ПАП (в виде термоэлектрических актинометров М-3; альбедометров М-69; пиранометров М-80М), к выходу которых подключены гальванометры ГСА - для измерения мощности поступающего солнечного излучения или электролитические интеграторы типа Х-603 - для определения суммарного эффекта от воздействия солнечного излучения за некоторый период времени. Актинометрические измерения сопровождаются измерениями температуры окружающего воздуха с помощью аспирационных психрометров МВ-4М (М-34) [4].
Наиболее близким техническим решением для осуществления предлагаемого способа является установка актинометрическая регистрирующая (УАР) [5]. В ней вместо гальванометров к выходам ПАП подключен автоматический многоканальный прибор следящего уравновешивания УСП-4, а для определения суммарного эффекта использованы все те же интеграторы Х-603. Применение УАР также сопровождается измерениями температуры окружающего воздуха с помощью психрометров.
Основу конструкции ПАП, в частности головок пиранометра М-115М, предназначенных для измерений суммарного потока солнечного излучения, составляет батарея термоэлектрических элементов (термопар), соединенных последовательно и закрытых полусферическим стеклянным колпаком. Поглощающие «горячие» концы термопар окрашены черной краской, а «холодные» - белой краской. За счет разности в поглощении солнечного излучения создается ЭДС, пропорциональная воздействию.
Сопутствующие измерения температуры воздуха позволяют исправить результаты измерений энергии солнечного воздействия путем введения в результаты корректирующих «температурных» поправок, полученных при градуировках и испытаниях средств измерений параметров солнечного излучения.
Известная актинометрическая регистрирующая установка предназначена только для исправления результатов измерений энергии солнечного воздействия путем введения в результаты корректирующих «температурных» поправок, полученных при градуировках и испытаниях средств измерений параметров солнечного излучения.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей за счет приема для объективного определения мощности и энергетического эффекта от воздействия не только солнечного излучения, но и других климатических факторов таких, как давление окружающего воздуха, его влажность, состав и пр.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа измерения комфортности условий окружающей воздушной среды для человека при воздействии климатических факторов, который, как и прототип, основан на преобразовании энергии воздействия в теплоту и далее в выходной сигнал для его измерения и отображения в значениях, выражаемых в ваттах на квадратный метр, с последующим интегрированием сигнала и представлением полученных результатов в джоулях на квадратный метр за некоторый период времени.
В отличие от прототипа в предлагаемом способе полученную от преобразования теплоту соотносят с молем идеального газа в виде шара, диаметральное сечение которого служит приемником поглощаемой энергии воздействующих потоков, а объем зависит от текущих параметров окружающей воздушной среды, при этом выходной сигнал измерительной цепи выражают в единицах скорости производства энтропии, а результаты интегрирования этого сигнала по времени - в количестве произведенной энтропии за выбранный период.
Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе энергия внешнего воздействия, преобразованная в теплоту (термический заряд диссипации), соотносится не с единицей площади воздействия, как это делается в прототипе, а оценивается относительно моля идеального газа, имеющего форму шара переменного объема и сечения, зависимых от параметров окружающей воздушной среды.
Такая замена постоянной площади воздействия на переменную в уравнении расчета позволяет распространить способ определения мощности и суммарного эффекта от воздействия солнечного излучения на оценки воздействия других климатических факторов, а также однозначно и единообразно выразить получаемые значения оценок.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное техническое решение, является создание универсального технологического приема для объективного определения (расчета) мощности и энергетического эффекта от воздействия не только солнечного излучения, но и других климатических факторов таких, как давление окружающего воздуха, его влажность, состав и пр.
Устройство для осуществления предлагаемого способа, как и прототип, содержит головку пиранометра с интегратором выходного сигнала и измеритель температуры окружающего воздуха.
В отличие от прототипа в устройство дополнительно введены программно-аппаратный блок, датчики атмосферного давления, скорости ветра, влажности окружающего воздуха и его состава и блоки отображения комфортности и оповещения.
Программно-аппаратный блок подключен к выходам головки пиранометра с интегратором выходного сигнала и измерителя температуры окружающего воздуха, а датчики атмосферного давления, скорости ветра, влажности окружающего воздуха и его состава и блоки отображения комфортности и оповещения связаны с программно-аппаратный блоком.
Кроме того, в устройство дополнительно введены газоанализатор и индикатор осадков, которые связаны с программно-аппаратным блоком.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное техническое решение является создание универсального технологического приема для объективного расчета мощности и энергетического эффекта от воздействия не только солнечного излучения, но и других климатических факторов таких, как давление окружающего воздуха, его температура, влажность, состав и пр.
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.
Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит головки пиранометра 1 с интегратором выходного сигнала 2 и измерителя (датчик) температуры окружающего воздуха 3, программно-аппаратный блок 4 с датчиками атмосферного давления 5, скорости ветра 6, влажности окружающего воздуха 7 и его состава 8 и блоки отображения комфортности 9 и оповещения 10.
Программно-аппаратный блок 4 подключен к выходам головки пиранометра 1 с интегратором выходного сигнала 2 и измерителя температуры окружающего воздуха 3 и связан с датчиками атмосферного давления 5, скорости ветра 6, влажности окружающего воздуха 7 и его состава 8 и блоками отображения комфортности 9 и оповещения 10.
Кроме того, в устройство по мере необходимости могут быть дополнительно введены газоанализатор 11 и индикатор осадков 12, связанные с программно-аппаратным блоком 4.
В основу устройства положены преобразователи актинометрические (ПА) измерительные типа СМ (см. Госреестр средств измерений - СИ № 15122-96), которые введены в состав Автоматической метеорологической станции (АМС) «ЛОМО МЕТЕО» (см. Госреестр СИ №27993-04). Датчики температуры 3 и влажности воздуха 7, скорости ветра 6, атмосферного давления 5 - типичные (см. Описание типа АМС «ЛОМО-МЕТЕО» для Госреестра СИ №27993-04).
По мере необходимости состав АМС «ЛОМО-МЕТЕО» может быть дополнен газоанализаторами - например АНКАТ-7664 (Госреестра СИ № 29710-05), индикатором осадков 12 - DPD11A Системы ROSA фирмы VAISALA Оу (Госреестр СИ №31360-06).
Перечисленные СИ и ПА подключают к центральному измерительно-вычислительному программно-аппаратному блоку 4 АМС «ЛОМО-МЕТЕО», которое обрабатывает результаты измерений по каналам, используя в программе расчета комфортности вышеприведенные выражения; результаты обработки выводят на блоки отображения комфортности 9 и оповещения 10.
Способ измерения комфортности окружающей воздушной среды для человека при воздействии климатических факторов осуществляется следующим образом.
Энергия внешнего воздействия, виртуально и натурально преобразованная в теплоту (термический заряд диссипации), оценивается относительно моля идеального газа, имеющего форму шара переменного объема и сечения, зависимых от параметров окружающей воздушной среды, с помощью ниже приведенных соотношений.
Общая оценка комфортности (O+) текущих условий воздушной среды (меньшая или равная единице) рассчитывается из отношения
(O+)=∑(O+)i/N,
где N - общее число учитываемых климатических факторов;
∑(O+)i - сумма оценок каждого i-го климатического фактора.
- скорость производства энтропии при воздействии солнечного излучения
Iиз - текущее значение интегральной поверхностной плотности потока солнечного излучения, выраженное в ваттах на квадратный метр;
Т, р - текущие значения температуры и давления атмосферного воздуха;
3
R - универсальная газовая постоянная, равная 0,0831412 (м·гПа)/(моль·К);
К - коэффициент пропорциональности, равный 1,22.
2
н- значение величины  в «нормальных» «комфортных» условиях при Тн=298 К, рн=1013,25 гПа, (Iиз)н=120 Вт/м, равное примерно 41,38 мВт/(моль·К);
(iS′_)v - скорость производства энтропии при воздействии потока ветра, набегающего со скоростью (v)
m - масса моля воздуха (0,029 кг/моль);
[(iS′_)v]н - значение величины [(iS′_)v] в «нормальных» «комфортных»» условиях при Тн=298 К, рн=1013,25 гПа, (v)н=1 м/с, равное примерно 29.08 нВт/(моль·К);
(iS′_)т - скорость производства энтропии при отклонении температуры воздуха от «нормального» «комфортного» значения 298 К (25°С).
(iS′_)т=(1/Tcp)Кнт[Ср(Ти-Тс)/τ],
Ти, Тс - температура «истока» и «стока», т.е. меньшее и большее значения температуры окружающего воздуха, использованные при расчете;
Тср - средняя из двух температур, т.е. Тср=(Ти+Тс)/2;
Кнт - коэффициент необратимости, равный Кнт=(Ти-Тс)/Ти;
Ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, принимаемая для «нормальных» «комфортных» условий, равной 30,04 Дж/(моль·К);
τ - период времени, равный секунде, т.е. τ=1 с;
[(iS′_)]н - значение величины [(iS′_)т] в «нормальных» «комфортных» условиях при Тн=(298±5)К, рн=1013,25 гПа, равное 8,53 мВт/моль при температуре воздуха
Т<25°С и равное 8,25 мВт/(моль·К) при Т>25°С; причем в интервале (25±5)°С отношение
[(iS′_)т]н/(iS′_)т=1;
(iS′_)p - скорость производства энтропии при отклонении атмосферного давления от «нормального» «комфортного» значения 1013,25 гПа
(iS′_)p=|(1/Т)Кнр[(RТ/τ)ln(ри/рс)|,
ри, рс - давление «истока» и «стока», т.е. меньшее и большее значения атмосферного давления окружающего воздуха, использованные при расчете;
Кнр - коэффициент необратимости, равный Кнр=(ри-рс )/ри;
Т - текущая температура окружающей воздушной среды;
R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль·К);
[(iS′_)p]н - значение величины [(iS′_)p] в «комфортных » условиях при Тн=298 К,
рн=(1013,25±5) гПа, равное 217,92 мВт/(моль·К); причем в интервале (1013,25±5) гПа отношение [(iS′_)p]н/(iS′_)p=1;
н
(iS′_)e - скорость производства энтропии при отклонении влажности воздуха (парциального давления водяного пара) от «нормального» «комфортного» значения (е)=17,4 гПа, определенного при температуре воздуха Тн=298 К (25°С) и его относительной влажности 55%
(iS′_)e=|(1/Т)Кне(RT/τ)[ln е/р+ln(р-е)/р]|,
р - текущее давление окружающего воздуха, использованные при расчете;
е - текущее парциальное давление водяного пара в воздухе;
2
Кне - коэффициент необратимости, равный Кне=е(р-е)/р;
[(iS′_)е]н - значение величины [(iS′_)e] в «нормальных» «комфортных» условиях при Тн=298 К, рн=1013,25 гПа, е=(17,4±6,4) гПа, равное при выполнении условия е<11,0 гПа 404,78 мВт/(моль·К); при е>23,8 гПа 719,88 мВт/(моль·К); причем в интервале (17,4±6,4) гПа [(iS′_)e]н/(iS′_)e=1;
(iS′_)кc - скорость производства энтропии при отклонении концентрации кислорода воздуха от «нормального» «комфортного» значения его парциального значения (ркс)н=212,28 гПа, определенного при температуре воздуха Тн=298 К (25°С) и атмосферном давлении р=1013,25 гПа
(iS′_)кc=|(1/Т)Кнкс(RT/τ)[ln ркс/р+ln(р-ркс)/р]|,
ркс - текущее парциальное давление кислорода в воздухе;
2
Кнкс - коэффициент необратимости, равный Кнкс=ркс(р-ркс)/р;
[(iS′_)кс]н - значение величины [(iS′_)кc] в «нормальных» «комфортных» условиях при Тн=298 К, рн=(1013,25±5) гПа и ркс=(212,28±1,05) гПа, равное в среднем 2476 мВт/(моль·К); причем в интервале (212,28±1,05) гПа [(iS′_)кс]н/(iS′_)кc=1;
(iS′_)oу - скорость производства энтропии при превышении концентрации окиси углерода воздуха выше «предела допускаемой концентрации» (пдк), т.е. выше допускаемого ее парциального давления, равного (роу)н=0,025 гПа (определенного при температуре воздуха Тн=298 К (25°С) и атмосферном давлении р=1013,25 гПа)
(iS′_)oy=|(1/Т)Кноу(RT/τ)[ln роу/р+In(р-роу)/р],
роу - текущее парциальное давление окиси углерода в воздухе;
2
Кноу - коэффициент необратимости, равный Кноу=роу(р-роу)/р;
[(iS′_)oу]н - значение величины [(iS′_)oу] в «нормальных» условиях при Тн=298 К, рн=1013,25 гПа и (роу)н=0,025 гПа, равное в среднем 2,16 мВт/(моль·К); причем в случае превышения (роу)н=0,025 гПа
[(iS′_)кc]н/(iS′_)кс<1;
(О+)ос - оценка условий окружающей воздушной среды при выпадающих атмосферных осадках, равная нулю при наличии осадков и единице - при их отсутствии.
Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют произвести оценку интенсивности и суммарного эффекта от воздействия климатических факторов для определения комфортности условий окружающей воздушной среды для человека.
Энергия воздействия, преобразованная в теплоту, определяется относительно площади переменного размера, зависимого от параметров моля идеального газа (воздуха). Такое решение позволяет распространить объективный расчетный способ определения мощности и суммарного эффекта от воздействия солнечного излучения на оценки влияния других климатических факторов и выразить оценки единообразно и однозначно в единицах энтропии и скорости ее производства.
Такая замена постоянной площади воздействия на переменную в уравнении расчета позволяет распространить способ определения мощности и суммарного эффекта от воздействия солнечного излучения на оценки воздействия других климатических факторов, а также однозначно и единообразно выразить получаемые значения оценки.
Предлагаемый способ позволит усовершенствовать условные шкалы (индексы и показатели) комфортности, применяемые для оценки биометрических и биоклиматических условий в экологической климатологии и рекреационной географии, путем объективного (термодинамического) описания воздействующих метеорологических и климатических факторов.
Изобретение может найти применение в аэропортах и автовокзалах при обслуживании пассажиров, в туристических центрах, санаториях при обслуживании отдыхающих, в экологических подразделениях, отслеживающих уровень загрязнения воздушных бассейнов городов и осуществляющих (общий, фоновый) мониторинг качества атмосферы.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Русин Н.П. Прикладная актинометрия. Л.: Гидрометеоиздат. 1979, стр.147-158.
2. Статьи Деряпы Н.Р., Хайрулина К.Ш., Айзенштата Б.А., Русанова В.И., Головиной Е.Г. в Сб. Трудов Всесоюзного совещания по «Прикладной климатологии». Л.: Гидрометеоиздат, 1990, стр.123-152.
3. Наставление г/метеорологическим станциям и постам. Вып. 9, часть 11, книга 2. РД 52.04.316-92 М., Гидрометеоиздат, 1993, стр.50-52; 131-173.
4. Справочник по гидрометрическим приборам и установкам. Л., Гидрометеоиздат, 1976, стр.36-44, 65-66.
5. Методические указания по регистрации составляющих радиационного баланса. Л., Гидрометеоиздат, 1986. - 135 с.