Способ определения параметров теплового комфорта в помещениях
METHOD FOR DETERMINING THE PARAMETERS OF HEAT COMFORT IN ROOMS

Изобретение относится к области промышленной экологии и может быть использовано для расчета уровня теплового комфорта помещений различного назначения.
Известен способ оценки комфортности рабочей зоны по параметрам микроклимата (патент РФ №2509322, МПК G01W 1/02, дата приоритета 16.08.2012, опубликовано 10.03.2014), в котором 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 определенной формуле.
Известен способ оценки комфортности микроклимата в помещениях жилых, общественных и административных зданий микроклимата (патент РФ №2636807, МПК G05D 23/19, дата приоритета 29.06.2016, опубликовано 28.11.2016), в котором по данным предварительных измерений определяют коэффициент комфортности теплового состояния человека, коэффициент радиационного охлаждения, коэффициент асимметрии радиационных потоков, коэффициент качества воздушной среды и вычисляют уровень комфортности микроклимата по определенной формуле.
Известен способ определения уровня теплового комфорта по ГОСТ Р ИСО 7730, в соответствии с которым уровень теплового комфорта задается для помещений разных классов комфортности согласно показателю PMV (Predicted Mean Vote - прогнозируемая средняя оценка качества воздушной среды) и соответствующим ему показателем PPD (Predicted Percentage Dissatisfied - прогнозируемый процент недовольных параметрами среды).
Помещения класса комфортности А:
-0,2<PMV<+0,2 (PPD<6%)
Помещения класса комфортности В:
-0,5<PMV<+0,5 (PPD<10%)
Помещения класса комфортности С:
-0,7<PMV<+0,7 (PPD<15%).
Показатели PMV и PPD рассчитывают в соответствии с известной методикой О. Фангера, реализованной в международном стандарте (см. ГОСТ Р ИСО 7730-2009 «Аналитическое определение и интерпретация комфортности теплового режима с использованием расчета показателей PMV и PPD и критериев локального теплового комфорта») как функция от четырех параметров микроклимата (температуры, влажности и подвижности воздуха, а также средней радиационной температуры) и двух личностных параметров (скорости метаболизма и теплоизоляционных характеристик одежды). Недостатком данных известных способов является то, что в них предусмотрена только оценка уровня теплового комфорта по известным микроклиматическим и личностным параметрам. Однако в практике проектирования систем жизнеобеспечения часто возникает обратная задача определения требуемых параметров, обеспечивающих заданный уровень теплового комфорта, что не обеспечивается известными способами.
Известен также способ построения таблиц изокомфортных параметров (Сулин А.Б., Рябова Т.В., Иванов С.В., Поддубный Р.А. Расчетное обоснование параметров микроклимата с заданным уровнем теплового комфорта // Холодильная техника - 2017. - №4. - С. 37-41). Известный способ базируется на решении обратной задачи, а именно на расчете совокупности параметров микроклимата при заданных личностных параметрах и заданном уровне теплового комфорта помещения. Вычисленные значения параметров микроклимата, обеспечивающих заданный уровень теплового комфорта, сведены в таблицы, названные таблицами изокомфортных параметров. Недостаток этого известного способа заключается в том, что он предполагает применение большого количества таблиц изокомфортных параметров, рассчитанных для различных уровней метаболизма, характеристик одежды и классов помещений, что затрудняет практическое применение, так как отсутствует единый обобщающий критерий.
Наиболее близким по технической сущности решением и принятый за прототип является способ определения эквивалентных температур по определенному уравнению, изложенный в работе (Madsen Т, Olesen В & Kristensen N (1984) Comparison between operative and equivalent temperature under typical indoor conditions. ASHRAE Transactions, ashrae.org, vol 90, part 1, pp 1077-1090), который включает использование уравнения для расчета эквивалентной температуры:
eq
a
a
cl
где t - эквивалентная температура, °С; t - температура воздуха, °С;  - средняя радиационная температура, °С, ν - скорость воздуха, м/с; I - термическое сопротивление одежды, clo. Этот способ базируется на эмпирически полученном уравнении для эквивалентной температуры (параметра, соответствующего одинаковым теплоощущениям), которое представляет собой функцию температуры воздуха, средней радиационной температуры, подвижности, и характеристик одежды. Недостаток этого известного способа заключается в том, что получаемый параметр эквивалентной температуры характеризует только эквивалентные теплоощущения при заданном наборе микроклиматических и личностных параметров и не учитывает требуемый уровень теплового комфорта.
Решается задача получения обобщающего параметра для эквивалентной комфортной температуры, соответствующей требуемому уровню теплового комфорта в помещении.
Способ оценки теплового комфорта в помещениях заключается в определении параметров теплового комфорта, которые учитывают комфортные микроклиматические параметры и личностные параметры, включающие метаболизм и характеристику одежды, для этого предварительно для каждого класса помещений определяют изокомфортные микроклиматические параметры, соответствующие заданному уровню теплового комфорта, после чего рассчитывают эквивалентную комфортную температуру по формуле:
eqc
ac
cl
где: t - эквивалентная комфортная температура, °С; t - температура воздуха комфортная, °С;  - средняя радиационная температура комфортная, °С, - скорость воздуха комфортная, м/с; I - термическое сопротивление одежды, clo, затем полученные значения эквивалентной комфортной температуры аппроксимируют в виде расчетных выражений для каждого класса помещений по следующей шкале:
В заявляемом способе оценки теплового комфорта, рассчитывают эквивалентную комфортную температуру по формуле:
eqc
ac
cl
где: t - эквивалентная комфортная температура, °С; t - температура воздуха комфортная, °С;  - средняя радиационная температура комфортная, °С, - скорость воздуха комфортная, м/с; I - термическое сопротивление одежды, clo.
Для каждого класса помещений предварительно строят таблицы изокомфортных микроклиматических параметров, которые рассчитывают для различных уровней метаболизма и характеристик одежды.
Таблицы изокомфортных параметров для помещений класса В представлены на чертеже. Затем полученные значения из таблиц изокомфортных микроклиматических параметров подставляют в уравнение для расчета эквивалентной температуры и получают результаты в виде эквивалентной комфортной температуры.
Например, для помещений класса В:
Затем полученные значения эквивалентной комфортной температуры аппроксимируют в функции от личностных параметров (уровня метаболизма и характеристик одежды), в результате получают обобщающие расчетные выражения параметра эквивалентной комфортной температуры, соответствующей требуемому уровню теплового комфорта в помещении каждого класса.
Например, для помещений класса В:
eqc
met
clo
для PMV=+0,49 t=40,23*0,77*0,82,
eqc
met
clo
для PMV=-0,49 t=53,60*0,58*0,70.
Таким образом, шесть массивов данных с параметрами теплового комфорта для помещений классов А, В и С обобщают шестью расчетными алгебраическими выражениями.
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявляемому изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
Для данного класса помещений по уровню комфортности, например, для помещений класса В, в соответствии с ГОСТ Р ИСО 7730 должно быть обеспечено значение показателя PMV в пределах -0,5<PMV<+0,5. Задаваясь значением метаболизма и термическим сопротивлением одежды, например, 1,1 met и 1 clo, строят таблицу изокомфортных микроклиматических параметров в виде зависимостей температуры воздуха от подвижности воздуха и средней радиационной разности температур, соответствующих заданному уровню теплового комфорта PMV=+0,49 и PMV=-0,49.
Полученные значения изокомфортных параметров (температура воздуха, подвижность воздуха, средняя радиационная температура) для заданного уровня метаболизма и термического сопротивления одежды подставляют в формулу эквивалентной температуры:
и рассчитывают эквивалентную комфортную температуру:
eqc
ac
cl
где: t - эквивалентная комфортная температура, °С; t - температура воздуха комфортная, °С;  - средняя радиационная температура комфортная, °С, - скорость воздуха комфортная, м/с; I - термическое сопротивление одежды, clo.
В результате получают таблицу с примерно одинаковыми значениями эквивалентной комфортной температуры (таблица 2).
Таким образом, полученная эквивалентная комфортная температура для условий термического сопротивления одежды 1,0 clo и уровня метаболизма 1,1 met равна 24,2°С при PMV=+0,49 и 20,3°С при PMV=-0,49.
Вычисления эквивалентной комфортной температуры повторяют для других величин уровней метаболизма и термического сопротивления одежды. Результаты вычислений сведены в таблицу 3
Обобщают рассчитанные значения эквивалентной комфортной температуры для помещений класса комфортности В в виде аппроксимирующих выражений:
Данные обобщающие расчетные выражения параметра эквивалентной комфортной температуры соответствуют требуемому уровню теплового комфорта в помещениях класса комфортности В. Таким образом, получают единый обобщающий критерий для определения параметров теплового комфорта.
Примеры реализации способа
Пример 1
Требуется определить необходимую подвижность воздуха в помещении класса комфортности В, если известно, что системой жизнеобеспечения поддерживается температура воздуха 23°С, средняя радиационная температура составляет 25°С, одежда персонала имеет характеристику 0,9 clo, уровень метаболизма при выполнении работ составляет 1,3 met.
Из выражений (2) и (3) эквивалентной комфортной температуры для помещений класса комфортности В рассчитаны эквивалентные комфортные температуры:
eqc
met
clo
для PMV=+0,49 t=40,23*0,77*0,82=23,86°С;
eqc
met
clo
для PMV=-0,49 t=53,60*0.58*0.70=19,20°С.
Преобразуя формулу для эквивалентной комфортной температуры (1) получаем выражение для скорости воздуха:
В результате расчета по формуле (4) получены значения для искомой скорости воздуха
ac
для PMV=+0,49 ν=0,11 м/с;
ac
для PMV=-0,49 ν=1,44 м/с.
Таким образом, для обеспечения состояния комфорта соответствующего помещениям класса В при заданных исходных данных скорость воздуха не должна быть ниже 0,11 м/с.
Пример 2
Требуется определить необходимую среднюю радиационную температуру в помещении класса комфортности В, если известно, что системой жизнеобеспечения поддерживается температура воздуха 25°С, подвижность воздуха 0,3 м/с, одежда персонала имеет характеристику 1,1 clo, уровень метаболизма при выполнении работ составляет 1,15 met.
Из выражений (2) и (3) эквивалентной комфортной температуры для помещений класса комфортности В рассчитаны эквивалентные комфортные температуры:
eqc
met
clo
для PMV=+0,49 t=40,23*0,77*0,82=23,83°С;
eqc
met
clo
для PMV=-0,49 t=53,60*0.58*0.70=19,39°C.
Преобразуя формулу для эквивалентной комфортной температуры (1) получаем выражение для средней радиационной температуры:
В результате расчета по формуле (5) получены значения для искомой средней радиационной температуры:
для PMV=+0,49
для PMV=-0,49
Таким образом, для обеспечения состояния комфорта соответствующего помещениям класса В при заданных исходных данных средняя радиационная температура должна находиться в пределах от 14,6 до 24,5°С.
Результаты апробации продемонстрировали эффективность применения заявляемого способа, подтвердили возможность достижения цели его создания и назначения, а именно, получения обобщающего параметра для определения уровня теплового комфорта в помещениях различного назначения.
Распространенность промышленных и бытовых объектов, для которых требуется оценить тепловой комфорт, обеспечивает заявляемому изобретению соответствие условию патентоспособности «промышленная применимость».