Министерство образования и науки Российской Федерации Волгоградский государственный технический университет О. Е. Коврина ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА ЗДАНИЙ Учебное пособие Волгоград. ВолгГТУ. 2018 © Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный технический университет», 2018 © Коврина О. Е., 2018 УДК 628.8(075.8) ББК 38.762я73 К568 Р е ц е н з е н т ы: кандидат технических наук А. В. Баев, заместитель директора ООО «ПТБ “Волгоградгражданстрой”»; коллектив ООО ИКЦ «Спецтеплосервис» в лице директора А. Е. Плужникова К568 Коврина, О. Е. Основы обеспечения микроклимата зданий [Электронный ресурс]: учебное пособие / О. Е. Коврина; М-во образования и науки Рос. Федерации, Волгогр. гос. техн. ун-т. — Электронные текстовые и графические данные (1,5 Мбайт). — Волгоград: ВолгГТУ, 2018. — Электронное издание локального распространения. — 1 электрон.-опт. диск (DVD-R). Систем. требования: РС 486 DX-33; Microsoft Windows XP; 2-скоростной дисковод DVD-ROM; Adobe Reader 6.0. — Загл. с этикетки диска. ISBN 978-5-9948-2787-1 Рассмотрены основные понятия формирования внутреннего микроклимата помещений и принципов его обеспечения с помощью инженерных систем. Даны способы оценки комфортности микроклимата и правила выбора его допустимых и оптимальных параметров. Рассмотрены процессы изменения состояния влажного воздуха в помещении и его обработки в системах обеспечения микроклимата. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство», профилю «Газоснабжение и вентиляция» всех форм обучения. УДК 628.8(075.8) ББК 38.762я73 ISBN 978-5-9948-2787-1 © Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный технический университет», 2018 © Коврина О. Е., 2018 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ............................................................................................................................ 4 1. Микроклимат помещения ................................................................................................ 5 1.1. Условия формирования микроклимата ....................................................................... 5 1.2. Требования к качеству воздуха в помещении ............................................................ 7 1.3. Расчетные параметры наружного воздуха .................................................................. 10 1.4. Нормируемые параметры воздуха помещений .......................................................... 13 1.5. Системы создания микроклимата в помещении ........................................................ 19 2. Тепловая нагрузка на систему отопления...................................................................... 20 2.1. Принципы определения тепловой мощности системы отопления........................... 20 2.2. Потери теплоты через ограждающие конструкции помещения............................... 22 2.2.1. Учет добавочных теплопотерь ............................................................................. 22 2.2.2. Правила обмера поверхностей ограждающих конструкций помещения......... 23 2.3. Затраты теплоты на нагревание инфильтрационного воздуха ................................. 25 3. Поступление теплоты, влаги и вредных веществ в помещения................................ 29 3.1. Теплопоступления от источников искусственного освещения ................................ 29 3.2. Поступление теплоты и влаги от остывающей пищи................................................ 30 3.3. Теплопоступления от солнечной радиации через наружные ограждения............... 31 3.4. Поступления теплоты и влаги от людей ..................................................................... 32 3.5. Поступления вредных веществ ................................................................................... 33 3.6. Поступление теплоты и влаги с поверхности жидкости ........................................... 34 4. Свойства влажного воздуха и простейшие процессы изменения его тепловлажностного состояния ....................................................................................... 35 4.1. Свойства влажного воздуха.......................................................................................... 35 4.2. I—d-диаграмма влажного воздуха ............................................................................... 37 4.3. Простейшие процессы изменения состояния влажного воздуха в I—d-диаграмме................................................................................................................... 40 5. Вентиляционный процесс обеспечения микроклимата .............................................. 47 5.1. Общие сведения............................................................................................................. 47 5.2. Классификация систем вентиляции............................................................................. 48 5.3. Аэродинамика вентилируемого помещения и организация воздухообмена........... 50 5.4. Балансы вредностей в помещении. Определение требуемых воздухообменов...... 57 5.5. Упрощенные способы определения воздухообмена в помещении .......................... 61 6. Процессы обеспечения микроклимата посещения ...................................................... 62 6.1. Процессы изменения состояния влажного воздуха при вентиляции помещения (прямоточная схема) ............................................................................................................ 62 6.2. Процессы изменения состояния воздуха при его кондиционировании (прямоточная схема) ............................................................................................................ 64 Библиографический список .................................................................................................. 69 3 ПРЕДИСЛОВИЕ В последнее время технология обеспечения заданного микроклимата в помещениях бурно развивается, и ощущается большая потребность в учебно-методической литературе, посвященной анализу этой проблемы. Новые способы отопления и вентиляции помещений, связанные с появлением на рынке широкого ассортимента нового оборудования с гибким автоматическим управлением, позволяют проектировать и осуществлять эффективные и экономичные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Известно, что теоретические основы специальности составляют комплекс фундаментальных теоретических и прикладных дисциплин, таких как: «Математика», «Физика», «Информатика», «Основы гидравлики», «Механика газов», «Теоретические основы теплотехники» и др. Эти дисциплины в разной степени детализации и разном объеме изучаются студентами. Наряду с фундаментальными науками по мере развития техники и технологии обеспечения микроклимата в помещении возникла и развивается прикладная наука о процессах переноса и трансформации в помещении потоков теплоты, влаги, газообразных примесей и аэрозолей, формирующих параметры среды обитания, в которой человек осуществляет свою функциональную деятельность. Содержание этой науки составляют многочисленные исследования, проводившиеся особенно активно в середине ХХ в. отечественными и зарубежными специалистами. Содержание учебного пособия соответствует рабочей программе дисциплины и в значительной мере ориентировано на курс лекции, читаемый в ФГБОУ ВО «ВолгГТУ. ИАиС». Цель курса — овладение научно-теоретическими основами обеспечения микроклимата в помещении и способами их реализации при проектировании и эксплуатации средств обеспечения микроклимата помещения. Учебное пособие по дисциплине «Основы обеспечения микроклимата зданий» предназначено для подготовки бакалавров по направлению 08.03.01 «Строительство» (профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция»), а также родственных профилей. Может использоваться в практике инженерно-технических работников организаций, занимающихся проектированием систем жизнеобеспечения зданий и сооружений. В пособии рассмотрены основные понятия, касающиеся формирования внутреннего микроклимата помещений и принципов его обеспечения с помощью инженерных систем. Приведены способы оценки комфортности микроклимата и правила выбора его допустимых и оптимальных параметров. Изложены принципы определения тепловой мощности систем отопления-охлаждения, а также структура теплового баланса помещения и методы расчета его составляющих для определения пpоизводительности систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Представлены основные процессы воздействия наружной среды на микроклимат зданий, и показаны правила выбора расчетных параметров наружного климата. Рассмотрены процессы изменения состояния влажного воздуха в помещении и его обработки в системах обеспечения микроклимата. Автор выражает признательность рецензентам за ценные замечания и советы: заместителю директора ООО «ПТБ „Волгоградгражданстрой“» А. В. Баеву, директору ООО ИКЦ «Спецтеплосервис» А. Е. Плужникову, инженеру ООО ИКЦ «Спецтеплосервис» Л. В. Дубачевой . 4 1. МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЯ 1.1. Условия формирования микроклимата Около 80 % своей жизни человек проводит в жилых, общественных, производственных зданиях, транспорте. Здание — это совокупность помещений, представляющих собой ограниченный объем, в пределах которого протекает жизнедеятельность человека. Процесс жизнедеятельности сопровождается взаимодействием человека с окружающей его средой помещения. Поэтому здоровье и работоспособность человека в значительной степени зависит от того, насколько помещение в санитарно-гигиеническом отношении соответствует его физиологическим требованиям. Под микроклиматом помещений понимается совокупность теплового, воздушного и влажностного режимов в их взаимосвязи. Среди факторов внутренней среды, оказывающих наиболее ощутимое физиологическое воздействие на человека, надо отметить тепловые условия в помещении и состав внутреннего воздуха. В результате протекающих в организме человека процессов обмена веществ освобождается энергия в виде теплоты. Эта теплота путем конвекции, излучения, теплопроводности и испарения должна быть передана окружающей среде, поскольку организм человека стремится к сохранению постоянной температуры (36,6 °С). Поддержание постоянной температуры организма обеспечивает физиологическая система терморегуляции. Количество вырабатываемой человеком теплоты зависит от физиологического и эмоционального состояния человека, его одежды, возраста, вида выполняемой работы и индивидуальных особенностей организма. Для нормальной жизнедеятельности и хорошего самочувствия человека должен быть обеспечен тепловой баланс между теплотой, вырабатываемой организмом, и теплотой, отдаваемой в окружающую среду. При обычных условиях более 90 % вырабатываемой теплоты отдается окружающей среде (половина теплоты — излучением, четверть — конвекцией, четверть — испарением) и менее 10 % теплоты теряется в результате обмена веществ. Интенсивность теплоотдачи человека зависит от тепловых условий в помещении, которые в настоящее время принято оценивать температурой воздуха, радиационной температурой помещения, относительной влажностью и подвижностью воздуха. Параметры микроклимата в помещении формируются в результате воздействия на него наружной среды, технологических процессов в помещении 5 и систем отопления, вентиляции или кондиционирования воздуха (рис. 1.1). Наружная среда оказывает влияние на тепловые параметры микроклимата за счет теплопередачи, влагопередачи и воздухопроницаемости ограждающих конструкций, а также в результате перемещения потоков воздуха и теплообмена между помещениями. Технологические процессы, сопровождающиеся выделением потоков тепла, влаги, газов, пыли, осуществляются непосредственно в помещении и оказывают прямое воздействие на тепловые параметры и состав воздуха. Поскольку в большинстве производств технологический процесс осуществляется людьми, в таких помещениях необходимо поддерживать комфортнотехнологические условия. Рис. 1.1. Структурная схема формирования микроклимата Системы отопления и вентиляции предназначены для формирования внутреннего микроклимата в помещении путем нейтрализации отрицательного воздействия наружной среды и технологических процессов. С давних пор человек стремился удовлетворить потребность в комфортных условиях среды своего обитания. Комфортными или оптимальными условиями в помещении называют такое сочетание параметров микроклимата, при котором сохраняется тепловое равновесие в организме человека и отсутствует напряжение в его системе терморегуляции. В настоящее время достижимая степень комфортности в значительной мере обеспечивается за счет конструкции и теплозащиты здания в сочетании с современными отопительновентиляционными устройствами. Поскольку использование оптимальных 6 параметров микроклимата не во всех зданиях бывает экономически целесообразным, в отечественных нормах широко используется понятие допycтимыx параметров, представляющих собой разумные граничные значения, при которых не наблюдается отрицательного воздействия на организм человека. Состав внутреннего воздуха характеризуется концентрацией углекислоты, концентрацией вредных газов, паров, пыли. Восприятие воздуха характеризуется также озоно-ионным составом и запахами. Все перечисленные выше параметры внутреннего воздуха в помещении являются исходными при проектировании зданий и систем обеспечения микроклимата и нормируются. При этом специалисты пришли к выводу, что состояние комфорта имеет место, когда 80 % опрошенных людей удовлетворены внешними факторами. Поддержание нормируемых параметров микроклимата в помещениях должно осуществляться в обслуживаемой или рабочей зоне помещения, которая согласно ГОСТ 30494—2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» регламентируется как пространство, ограниченное параллельными полу и стенам: на высоте 0,1 и 2,0 м над уровнем пола, на расстоянии 0,5 м от внутренних поверхностей наружных и внутренних стен, окон и отопительных приборов. 1.2. Требования к качеству воздуха в помещении Воздух является средой, в которой человек пребывает всю свою жизнь и от которой, естественно, зависит его самочувствие и здоровье. Поскольку воздух необходим для дыхания человека, он должен иметь близкий природному газовый состав и быть чистым, т. е. свободным от механических и химических загрязнений. Важными для жизнедеятельности человека являются такие составляющие воздуха, как кислород и углекислый газ. В процессе дыхания человек поглощает кислород, а выделяет водяные пары и углекислый газ. Человеческий организм может в достаточно широких пределах приспосабливаться к понижению содержания кислорода в воздухе (учащенное дыхание, более глубокие вдохи). Опасным для жизни человека является снижение содержания кислорода во вдыхаемом воздухе ниже 12 %. Выявление гигиенически обоснованного воздухообмена в помещении основано на замещении в воздухе углекислого газа СО2. Нормальное самочувствие и работоспособность человека сохраняется, если содержание углекислого газа во вдыхаемом воздухе составляет 0,04…0,5 %, а избыток и недостаток СО2 одинаково вредно отражается на состояние его организма. Поэтому в помещения, где находятся люди, необходимо подавать свежий наружный воздух. Это может быть естественное проветривание помещения или механическая приточная вентиляция. В СП60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» предусмотрена подача свежего воздуха в помещения общественных зданий в 7 количестве от 20 до 60 м3/(ч⋅чел) в зависимости от времени пребывания людей в помещении. Однако не всегда подача в помещение требуемого количества воздуха достаточно для полного ощущения комфорта. Установлено, что обработка воздуха в кондиционерах снижает в помещении содержание отрицательных ионов кислорода, благотворно воздействующих на человека, в среднем в восемь раз. То же касается и содержания в помещении озона. Поэтому с гигиенической точки зрения естественное проветривание помещения с восстановлением озоно-ионного состава воздуха с помощью ионизаторов является предпочтительным. Чистота воздуха в помещении зависит от многих факторов: качества наружного воздуха; наличия в помещении источников загрязнения; мощности и расположения источников загрязнения; способа и конструкции систем вентиляции и т. п. Воздух считается чистым, если содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны помещения не превышает предельно допустимых концентраций (ПДК). За предельно допустимые концентрации рабочей зоны принимают концентрации вредных веществ, не вызывающие изменений в организме человека в течение всего рабочего стажа из расчета восьмичасового рабочего дня. Вредными являются вещества, которые попадая в организм человека или животного, разрушают ткани и клетки организма или нарушают их нормальное состояние. Физиологическое воздействие различных вредных веществ на организм человека или животного зависит от их токсичности и концентрации в воздухе помещения, а также от времени пребывания там людей. По степени воздействия на организм человека вредные вещества подразделяются на четыре класса: 1 класс — чрезвычайно опасные; 2 класс — высоко опасные; 3 класс — умеренно опасные; 4 класс — малоопасные. Вредные вещества попадают в организм человека через органы дыхания, пищеварительный тракт и кожу. Вредными могут быть газы, пары вредных веществ и пыль. К числу условно вредных выделений относятся избыточная конвективная и лучистая теплота, а также избытки влаги в помещении. Конвективная теплота поступает в помещение от производственного оборудования, имеющего высокую температуру (печи, нагревательные аппараты, камеры и т. п.), нагретых материалов, готовой продукции, освещения, людей при омывании их воздухом. Пребывание и работа человека в условиях высокой температуры ухудшает теплоотдачу организма, а при превышении терморегулирующих возможностей приводит к нарушению водносолевого режима, белкового обмена и даже к тепловому удару. 8 Лучистая теплота поступает в помещение за счет коротковолнового излучения от тел с высокой температурой (оборудование, материалы и др.). Это излучение обладает большой проникающей способностью и угнетающе действует на клетки организма. Интенсивность излучения около раскаленного металла может достигать 3000 Вт/м2. Влага (водяные пары) поступает в помещения с открытых водных поверхностей при открытых мокрых процессах, проникает в виде водяного пара через неплотности трубопроводов и т. п. Повышенная влажность воздуха в помещении затрудняет теплообмен организма человека с окружающей средой. Особенно неблагоприятно сочетание большой влажности и высокой температуры, так как при этом отдача теплоты испарением уменьшается и в организме накапливается теплота. Повышенная влажность при низкой температуре вызывает охлаждение организма, так как влажная кожа и влажный воздух более теплопроводны. Газы и пары вредных веществ поступают в воздух производственных помещений при различных технологических процессах. По характеру воздействия на организм газы и пары вредных веществ могут быть разделены на 4 группы: 1. Удушающие (оксид углерода СО — угарный газ, синильная кислота и др.). Оксид углерода — газ без запаха и цвета, являющийся продуктом неполного сгорания углерода. Это один из самых опасных ядов. Он вдыхается с воздухом, легко соединяется с гемоглобином крови, связывает его и вызывает кислородное голодание организма, а при тяжелых формах отравления наступает удушье. Синильная кислота HCN — бесцветная жидкость с запахом горького миндаля. Пары синильной кислоты выделяются при использовании цианистых солей калия, натрия и аммония. Цианистые соли применяются в термических и гальванических цехах. Пары цианистых соединений и синильной кислоты вызывают тяжелые отравления. 2. Раздражающие (хлор, сернистый газ, аммиак и др.). Хлор Cl — газ желто-зеленого цвета, с резко удушливым запахом, в 2,5 раза тяжелее воздуха. При соприкосновении со слизистыми оболочками превращается в соляную кислоту, действует раздражающе на верхние дыхательные пути. Выделение хлора происходит при производстве самого хлора, хлорных соединений (хлорной извести) и хлористых соединений, используемых для отбелки в текстильной и бумажно-целлюлозной промышленности. Сернистый газ SO2 — бесцветный газ с едким запахом. Образуется при сжигании топлива или продуктов, содержащих серу. Раздражающе действует на слизистые оболочки верхних дыхательных путей и глаз. Аммиак NH3 применяется в основном в холодильной промышленности. Он вызывает сильное раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей и глаз. 3. Наркотические (к ним в первую очередь относятся растворители — бензин, бензол и др.). Бензин применяется в качестве растворителя красок, лаков, а 9 также как топливо в двигателях внутреннего сгорания. Наиболее ядовитая часть бензина — ароматические углеводороды. В сравнительно малых дозах бензин вызывает своеобразное возбуждение (опьянение), при возрастающей интоксикации может произойти внезапная потеря сознания с судорогами. Бензол (C6H6) находит применение в качестве растворителя, а также в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания. При длительном вдыхании небольших концентраций пары бензола вызывают хронические отравления. Концентрация в 64 мг/л является смертельной при действии в течение 5…10 минут. 4. Отравляющие (пары ртути, мышьяка и др.). Ртуть Hg — тяжелый жидкий металл, испаряющийся при комнатной температуре. Ртуть применяется на производстве в чистом виде и в виде соединений. Пары ртути тяжелее воздуха в 7 раз. Попадая в организм через органы дыхания, пары ртути накапливаются там и поражают органы пищеварения и нервную систему. Пыль является аэрозолем, т. е. это дисперсная система, состоящая из мелких частиц твердого вещества или капелек жидкости, находящихся во взвешенном состоянии в воздухе. В производственные помещения пыль может поступать при процессах дробления и размола материала, при обработке изделий на механических станках, на абразивных и войлочных кругах и т. п. Пыль технологического происхождения весьма разнообразна по химическому составу, размеру частиц, их форме, плотности и др. Действие пыли на организм человека зависит от ее состава и дисперсности, которая характеризуется размерами пылевых частиц. В запыленном воздухе встречаются пылевые частицы размерами от 0,1 до 100 мкм и более крупные. Крупная пыль быстрее оседает, а мелкая пыль находится длительное время во взвешенном состоянии (так как подвижность воздуха в производственных помещениях не ниже 0,1 м/с). Наиболее опасна для здоровья мелкая пыль размером менее 10 мкм, так как более крупная пыль задерживается на слизистой оболочке верхних дыхательных путей. При попадании пыли в легкие человека возникают тяжелые заболевания. Так, попадание в легкие пыли, содержащей диоксид кремния SiO2 или кварц, может вызвать заболевание силикозом, а попадание асбестовой пыли — заболевание асбестозом. Мучная и зерновая пыль вызывает бронхиты. Воздействие пыли на глаза вызывает конъюктивиты, на кожу — дерматиты. Осаждение пыли на технологическом оборудовании ухудшает его работу, может привести к аварии. Кроме того, пыли горючих материалов (мучная, табачная, сахарная) образуют с воздухом взрывоопасные смеси. 1.3. Расчетные параметры наружного воздуха Воздействие отдельных метеорологических элементов на тепловой, влажностный и воздушный режим здания и работу его инженерных систем является комплексным. 10 Основу климатологической информации составляют непрерывные регулярные измерения метеоэлементов в сети метеостанций. На станциях измеряют температуру воздуха и поверхности грунта, эффективное излучение, скорость и направление ветра, относительную влажность воздуха и барометрическое давление, а также интенсивность прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность. Параметры наружного воздуха изменяются с течением времени. От выбора расчетных параметров наружного воздуха зависит мощность систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а эта мощность, в свою очередь, определяет возможность систем поддерживать требуемые параметры воздуха в здании. Под расчетными параметрами понимаются наиболее неблагоприятные погодные условия, при которых выбирается теплозащита здания и установочная мощность (производительность) систем обеспечения микроклимата. Расчетные параметры наружного воздуха устанавливаются на основании метеорологических наблюдений в различных географических пунктах для холодного и теплого периодов года и приведены в табл. 1 и 2 и картах удельной энтальпии наружного воздуха в СП 131.13330—2012 «Строительная климатология», где собрана обширная база данных для определения расчетных параметров наружного воздуха. При выборе расчетных параметров использование их абсолютных максимумов или минимумов нецелесообразно, так как абсолютный максимум параметра наблюдается один раз за весь срок измерений и вероятность его появления впредь очень мала. К тому же одновременное проявление экстремальных значений всех параметров маловероятно. В отечественной инженерной практике принято в качестве критерия выбора расчетного параметра использовать суммарную или разовую вероятную продолжительность нарушения расчетных внутренних условий. Показателем, связывающим величину параметра климата с частотой ее появления в принятом к рассмотрению ряду лет, является коэффициент обеспеченности Kоб, равный отношению: K об = n / N , (1.1) где n — число лет (случаев), когда параметр отклоняется от заданных значений (например, превышает их); N — число лет (случаев), принятых к рассмотрению. Коэффициент обеспеченности принимается на основании техникоэкономических или социологических обоснований. На примере условий холодного периода в табл. 1.1 приведены значения коэффициентов обеспеченности для помещений с различным уровнем требований к микроклимату. В соответствии с коэффициентами обеспеченности климат холодного и теплого периодов, согласно СП 60.13330—2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование», характеризуется двумя расчетными параметрами на11 ружного воздуха: А и Б. Параметры Б соответствуют экстремальным значениям температуры и энтальпии воздуха. Параметры А — некоторым средним значениям. Таблица 1.1 Категорийность помещений к микроклимату Уровень требований к климату основных помещений Повышенные санитарно-гигиенические требования Круглосуточное пребывание людей или постоянный технологический режим Ограниченное во времени пребывание людей Кратковременное пребывание людей Коэффициент обеспеченности Kоб Около 1,0 0,9 0,7 0,5 Заданные параметры микроклимата в помещениях жилых, общест­ венных, административно­бытовых и производственных зданий следует обеспечивать в пределах следующих параметров наружного воздуха: параметров А — для систем вентиляции и воздушного душирования для теплого периода года; параметров Б — для систем отопления, вентиляции и воздушного душирования для холодного периода года, а также для систем кондиционирования воздуха для теплого и холодного периодов года. Для переходных условий года в любом районе строительства расчетную температуру наружного воздуха следует принимать равной 10 °С, а удельную энтальпию наружного воздуха равной 26,5 кДж/кг. Для зданий сельскохозяйственного назначения в качестве расчетных параметров наружного воздуха следует принимать: параметры А — для систем вентиляции и кондиционирования воздуха для теплого и холодного периодов года; параметры Б — для систем отопления для холодного периода года. Для теплого периода определяющими являются интенсивность солнечной радиации, температура и удельная энтальпия наружного воздуха. Расчетные параметры наружного воздуха в этот период определяются по табл. 2 СП 131.13330—2012 «Строительная климатология»: температура tн, °С, наружного воздуха по параметрам А и Б (соответственно колонка 3 с обеспеченностью 0,95 и колонка 4 с обеспеченностью 0,98) и его удельная энтальпия lн, кДж/кг (также по параметрам А и Б — по картам удельной энтальпии); скорость ветра, м/с (колонка 13), но не менее 1 м/с, и средняя суточная амплитуда температуры наружного воздуха Аtи, °С (колонка 7). Для холодного периода определяющими параметрами климата являются температура наружного воздуха tн и скорость ветра νн. В некоторых случаях, кроме указанных параметров, необходимо учитывать относительную влажность φн наружного воздуха, направление ветра, осадки. Тепловой поток от солнечной радиации, снижающий тепловую нагрузку, в расчетах не учитывают. Расчетные значения этих параметров определяют по табл. 1 12 СП 131.13330—2012 «Строительная климатология»: по параметру Б температура tи, °С, (колонка 5, т. е. средняя температура наиболее холодной пятидневки tн5 обеспеченностью 0,92) и относительная влажность φ, %, (колонка 16, т. е. средняя в 15 часов для наиболее холодного месяца); скорость ветра (колонка 19, т. е. максимальная из средних по румбам за январь), м/с. Дополнительно также определяется температура по параметру А (колонка 6 с обеспеченностью 0,94), используемая только для расчета вентиляции сельскохозяйственных зданий. 1.4. Нормируемые параметры воздуха помещений В зависимости от назначения помещения к метеорологическим параметрам внутреннего воздуха могут предъявляться как гигиенические, так и технологические требования. Гигиенические требования определяются самочувствием человека, а технологические зависят от условий проведения технологических процессов и при этом не должны противоречить гигиеническим. К параметрам, характеризующим микроклимат помещений, прежде всего относятся: температура tв, °С, скорость движения vв, м/с, и относительная влажность воздуха φв, %. Кроме того, на ощущения человека, находящегося в помещении, влияет также и радиационная обстановка, которая согласно ГОСТ 30494—2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» учитывается комплексным показателем — результирующей температурой tп, °С, сочетающей в себе радиационную температуру помещения tr, °С, и температуру внутреннего воздуха tв. Температура tr, °С, является усредненной по коэффициенту облученности температурой всех поверхностей, окружающих человека. В каждом конкретном помещении метеорологические параметры должны быть такими, чтобы воздух мог регулировать отвод теплоты, которая вырабатывается организмом человека в процессе его жизнедеятельности. Как известно, теплоотдача от человеческого организма в окружающую среду осуществляется за счет явного теплообмена (конвекцией, излучением и теплопроводностью) и скрытого теплообмена (испарением). Конвективная теплоотдача (к ней относят и теплоту, передаваемую теплопроводностью) составляет приблизительно 32…35 % всей теплоотдачи, излучение — 42…44 %, испарение — 20…25 %. При изменении метеорологических условий окружающей среды соотношения теплообмена человека существенно колеблются: при снижении температуры и увеличении подвижности внутреннего воздуха возрастает доля конвективной составляющей теплообмена; при снижении радиационной температуры помещения увеличивается радиационная составляющая теплообмена; при низкой относительной влажности увеличивается теплоотдача испарением. 13 Исследования гигиенистов показали, что человек чувствует себя лучше, если большая часть физиологической теплоты отводится за счет конвекции, а меньшая — излучением. Для того чтобы изменять отдельные параметры микроклимата, приспосабливая их к состоянию человека (больной, в покое, выполнение тяжелого физического труда), в помещениях устраивают системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. При выборе расчетных метеорологических условий в помещении учитываются следующие факторы: способность человеческого организма к акклиматизации в разное время года; интенсивность выполнения физической работы в производственных помещениях; функциональное назначение помещений в жилых и общественных зданиях. При проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха выделяют три периода года: 1) холодный период — характеризуется среднесуточной температурой наружного воздуха равной или ниже +10 или +8 °С в зависимости от назначения здания; tн = +10 °С для лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых; tн = +8 °С — для остальных зданий; 2) переходный период — характеризуется температурой наружного воздуха равной +10 °С и энтальпией наружного воздуха равной 26,5 кдж/кг °С; 3) теплый период — характеризуется среднесуточной температурой наружного воздуха выше +10 или +8 °С так же, как и в холодный период, в зависимости от назначения здания. Для переходного периода года расчетные внутренние условия в помещениях принимаются такими же, как и для холодного периода. В зависимости от уровня требований, предъявляемых к внутренней среде помещений, в них поддерживаются оптимальные или допустимые параметры микроклимата. Оптимальные параметры обеспечивают наилучшее самочувствие и способствуют высокой работоспособности. Допустимые величины показателей микроклимата устанавливаются в случаях, когда по технологическим требованиям, техническим и экономически обоснованным причинам не могут быть обеспечены оптимальные величины. Диапазон оптимальных параметров уже находится внутри зоны допустимых параметров. Расчетные параметры внутреннего воздуха нормируются по разным принципам для зданий различного назначения. Для производственных помещений расчетные параметры микроклимата принимаются в соответствии с ГОСТ 12.01.005—88 «Общие санитарногигиенические требования к воздуху рабочей зоны». Нормируемыми параметрами являются температура, относительная влажность и подвижность внутреннего воздуха на постоянных и непостоянных рабочих местах. Нормами установлены оптимальные и допустимые параметры внутреннего воз14 духа в рабочей зоне помещений в зависимости от категории тяжести работы и периода года. Все выполняемые работы, в соответствии с общими энергозатратами, разграничены на три категории: I категория — легкие работы, которые в свою очередь разделены на две подгруппы: I-а (до 139 Вт), к которым относятся работы, производимые сидя и сопровождающиеся незначительным физическим напряжением, и работы категории I-б (139…172 Вт), которые выполняются сидя, стоя или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением; II категория — работы средней тяжести также разделены на две подгруппы: к работам группы II-а (172…232 Вт) отнесены работы, связанные с постоянной ходьбой, перемещением мелких (до 1 кг) изделий стоя или сидя и требующие определенного физического напряжения, и работы категории II-б (232…292 Вт), при которых выполняются работы, связанные с ходьбой, перемещением грузов до 10 кг и сопровождающиеся умеренным физическим напряжением; III категория — тяжелые работы — это работы с энергозатратами более 293 Вт, связанные с постоянным передвижением, перемещением значительных (свыше 10 кг) грузов и требующие больших физических усилий. В зависимости от интенсивности явных тепловыделений различают три группы помещений: с незначительными теплоизбытками явной теплоты (до 23 Вт/м3); со значительными избытками явной теплоты (более 23 Вт/м3); жилые, общественные помещения и вспомогательные помещения производственных зданий при всех значениях явной теплоты, причем под последней, согласно ГОСТ 12.1.005—88, понимают теплоту, поступающую в рабочее помещение от оборудования, отопительных приборов, нагретых материалов, людей и других источников теплоты. Под избытком явной теплоты понимают остаточное количество явной теплоты (за вычетом тепловых потерь) после осуществления всех мероприятий по их уменьшению. Для помещений жилых и общественных зданий расчетные параметры микроклимата устанавливаются в соответствии с ГОСТ 30494—2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». Нормируемыми параметрами являются температура, относительная влажность, подвижность внутреннего воздуха и результирующая температура помещения. Оптимальные и допустимые параметры микроклимата для холодного и теплого периодов года выбираются в зависимости от функционального назначения помещений, среди которых стандартом выделяются жилые, детские дошкольные учреждения и помещения общественных зданий, отличающиеся интенсивностью деятельности, типом одежды людей и продолжительностью пребывания людей в этих помещениях. Помещения общественных зданий классифицируют по следующим категориям: 15 1 — помещения, в которых люди в положении лежа или сидя находятся в состоянии покоя и отдыха; 2 — помещения, в которых люди заняты умственным трудом, учебой; 3а — помещения с массовым пребыванием людей, в которых люди находятся преимущественно в положении сидя без уличной одежды; 3б — помещения с массовым пребыванием людей, в которых люди находятся преимущественно в положении сидя в уличной одежде; 3в — помещения с массовым пребыванием людей, в которых люди находятся преимущественно в положении стоя без уличной одежды; 4 — помещения для занятий подвижными видами спорта; 5 — помещения, в которых люди находятся в полураздетом виде (раздевалка, процедурные кабинеты, кабинеты врачей и т. п.); 6 — помещения с временным пребыванием людей (вестибюли, гардеробные, коридоры, лестницы, санузлы, курительные, кладовые). Требования к параметрам микроклимата, в соответствии с ГОСТ 30494—2011, для жилых зданий и общежитий приведены в табл. 1.2, для общественных и административных зданий и детских дошкольных учреждений — в табл. 1.3. В холодный период года в жилых помещениях жилых зданий в качестве расчетной принимается минимальная из оптимальных температур, в нежилых помещениях — минимальная из допустимых температур. В общественных помещениях административных зданий в холодный период в качестве расчетных также принимаются оптимальные параметры. В производственных помещениях общественных зданий в холодный период года расчетная температура внутреннего воздуха принимается в зависимости от наличия избытков явной теплоты в помещениях: при отсутствии избытков явной теплоты в качестве расчетной принимается минимальная из допустимых температур; в помещениях с теплоизбытками в качестве расчетной принимается экономически целесообразная температура в пределах допустимых норм. В холодный период года в жилых, общественных, административнобытовых и производственных помещениях, когда они не используются и в нерабочее время, допускается принимать температуру внутреннего воздуха меньше нормируемой, но не ниже 15 °С в жилых помещениях, 12 °С в общественных и административно-бытовых помещениях и не менее 5 °С в производственных помещениях. В теплый период года в обслуживаемой или рабочей зоне жилых, общественных и административно-бытовых помещений с избытками теплоты в качестве расчетной рекомендуется принимать температуру воздуха в пределах допустимых норм, но не более чем на 3 °С выше расчетной температуры наружного воздуха (по параметрам А). При этом расчетная внутренняя температура должна быть не более 28 °С для общественных и административнобытовых помещений с постоянным пребыванием людей и не более 33 °С для указанных зданий, расположенных в районах с расчетной температурой наружного воздуха (параметры А) 25 °С и выше. 16 Таблица 1.2 Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне помещений жилых зданий и общежитий Период года Наименование помещения или категория Жилая комната Холодный Теплый Жилая комната в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) минус 31 °С и ниже Кухня Туалет Ванная, совмещенный санузел Помещения для отдыха Межквартирный коридор Вестибюль, лестничная клетка Кладовые Жилая комната Температура воздуха, °С оптимальная допустимая Результирующая температура, °С Относительная влажность, % оптимальная допустимая оптимальная Скорость движения воздуха, м/с допустимая, допустимая, оптимальная не более не более 20…22 18…24 (20…24) 19…20 17…23 (19…23) 45…30 60 0,15 0,2 21…23 20…24 (22…24) 20…22 19…23 (21…23) 45…30 60 0,15 0,2 19…21 19…21 18…26 18…26 18…20 18…20 17…25 17…25 НН НН НН НН 0,15 0,15 0,2 0,2 24…26 18…26 23…27 17…26 НН НН 0,15 0,2 20…22 18...24 19…21 17…23 45…30 60 0,15 0,2 18…20 16…22 17…19 15…21 45…30 60 НН НН 16…18 14…20 15…17 13…19 НН НН НН НН 16…18 22…25 12…22 20…28 15…17 22…24 11…21 18…27 НН 60…30 НН 65 НН 0,2 НН 0,3 Примечания к табл. 1.2: 1. НН — не нормируется. 2. Значения в скобках относятся к домам для престарелых и инвалидов. 17 Таблица 1.3 Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне общественных и административных зданий и детских дошкольных учреждений Период года ХП, ПП ХП, ПП ТП Наименование помещения или категория 1 категория 2 категория 3а категория 3б категория 3в категория 4 категория 5 категория 6 категория Ванные, душевые Детские дошкольные учреждения: групповая, раздевальня и туалет: для ясельных и младших групп для средних и дошкольных групп Спальня: для ясельных и младших групп для средних и дошкольных групп Помещения с постоянным пребыванием людей Температура воздуха, °С оптимальная Результирующая температура, °С допустимая оптимальная допустимая Относительная влажность, % допустимая, оптимальная не более 60 45…30 60 45…30 60 45…30 60 45…30 60 45…30 60 45…30 60 45…30 НН НН НН НН Скорость движения воздуха, м/с допустимая, оптимальная не более 0,3 0,2 0,3 0,2 0,2 0,3 0,2 0,3 0,2 0,3 0,2 0,3 0,15 0,2 НН НН 0,15 0,2 20…22 19…21 20…21 14…16 18…20 17…19 20…22 16…18 24…26 18…24 18…23 19…23 12…17 16…22 15…21 20…24 14…20 18…28 19…20 18…20 19…20 13…15 17…20 16…18 19…21 15…17 23…25 17…23 17…2 19…22 13…16 15…21 14…20 19…23 13…19 17…27 21…23 20…24 20…22 19…23 45…30 60 0,1 0,15 19…21 18…25 18…20 17…24 45…30 60 0,1 0,15 20…22 19…23 19…21 18…22 45…30 60 0,1 0,15 19…21 18…23 18…22 17…22 45…30 60 0,1 0,15 23…25 18…28 22…24 19…27 60…30 65 0,3 0,5 Примечания к табл 1.3: 1. Для детских дошкольных учреждений, расположенных в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) минус 31 °С и ниже, допустимую расчетную температуру воздуха в помещении следует принимать на 1 °С выше указанной в данной табл. 2. НН — не нормируется. 18 Для производственных помещений с избытками теплоты в теплый период года в качестве расчетной принимается температура воздуха в пределах допустимых норм, но не более чем на 4 °С выше расчетной температуры наружного воздуха (параметры А) и не более максимально допустимой температуры в зависимости от категории выполняемой работы. При отсутствии избытков теплоты в помещениях в качестве расчетной принимают температуру воздуха в пределах допустимых норм. Параметры микроклимата в теплый период года при кондиционировании помещений следует принимать в пределах оптимальных норм по ГОСТ 30494—2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» и ГОСТ 12.01.005—88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны в зависимости от назначения помещений». 1.5. Системы создания микроклимата в помещении Создание и поддержание в помещениях необходимого теплового и воздушного микроклимата для нормальной жизни и деятельности людей в современных зданиях осуществляется системами инженерного оборудования: отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Системы отопления предназначены для возмещения в холодный период года тепловых потерь помещения и поддержания в нем на заданном уровне температуры, отвечающей условиям теплового комфорта для находящихся в помещении людей, а также (при необходимости) требованиям технологического процесса. В тесной связи с тепловым режимом помещений находится воздушный режим, под которым понимают процесс обмена воздухом между помещениями и наружным воздухом. Системы вентиляции (от лат. ventilatio — проветривание) предназначены для обеспечения обмена воздуха в помещении и поддержания в нем благоприятной для самочувствия и здоровья человека, а также технологического процесса, сохранности строительных конструкций, оборудования и материалов, чистоты, температуры, влажности и подвижности воздуха. Система вентиляции состоит из устройств для нагревания, увлажнения и осушения приточного воздуха. Системы кондиционирования воздуха (от лат. condicio — условие, состояние) служат для создания и автоматического поддержания на определенном уровне улучшенных параметров микроклимата помещения, т. е. заданных параметров воздуха: температуры, влажности и чистоты при допустимой скорости движения воздуха в помещении независимо от изменяющихся наружных метеорологических условий и переменных во времени вредных выделений в помещениях. Они состоят из устройств термовлажностной обработки воздуха, очистки его от пыли, биологических загрязнений и запахов, перемещения и распределения воздуха в помещении, автоматического управления оборудованием и аппаратурой. Перечисленные системы действуют путем компенсации тепловых потерь или нейтрализации вредностей. В зависимости от требований к воздушной среде помещений эти системы могут применяться в различных сочетаниях или самостоятельно. 19 2. ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА НА СИСТЕМУ ОТОПЛЕНИЯ 2.1. Принципы определения тепловой мощности системы отопления Температурная обстановка в помещении зависит от соотношения в нем тепловых потерь и теплопоступлений. Для поддержания в помещении необходимого теплового режима служат системы отопления, вентиляции или кондиционирования воздуха. Тепловой режим в зданиях и помещениях в холодный период года может быть постоянным или переменным в зависимости от их назначения. Постоянный тепловой режим должен поддерживаться круглосуточно в течение всего отопительного периода в жилых и производственных зданиях с непрерывным режимом работы, в детских и лечебных учреждениях, гостиницах, музеях и т. п. Переменный тепловой режим характерен для производственных зданий с одно- и двухсменной работой, а также для ряда общественных зданий (административных, торговых, учебных, зрелищных и т. п.). В помещениях этих зданий необходимые тепловые условия поддерживаются только в рабочее время. В нерабочее время в таких зданиях с целью энергосбережения либо понижают температуру теплоносителя, либо периодически отключают отопление (прерывистое отопление), либо устраивают дежурное отопление, поддерживающее в помещении пониженную температуру. В некоторых помещениях для повышения работоспособности сотрудников и снижения энергопотребления систем отопления устраивают динамический микроклимат с определенным режимом изменения его параметров. Для решения вопроса о необходимости устройства того или другого вида системы микроклимата и определения ее мощности составляют тепловой баланс, сопоставляя теплопотери и теплопоступления в помещении. Тепловой баланс составляется с учетом коэффициента обеспеченности для расчетного установившегося режима, когда возможен наибольший дефицит теплоты. В холодный период тепловой баланс составляется при температуре наружного воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92. Для определения тепловой мощности системы отопления составляют баланс часовых расходов теплоты для расчетных зимних условий в виде Qот = ΔQ = ΣQпотерь − ΣQпоступл , 20 (2.1) где Qот — расчетная мощность системы отопления, Вт; ∑Qпотерь — суммарные тепловые потери помещения, Вт; ∑Qпоступл — суммарные теплопоступления в помещения, Вт. Сведением всех составляющих прихода и расхода теплоты в тепловом балансе определяется дефицит или избыток теплоты. Дефицит теплоты ΔQ указывает на необходимость устройства в помещении отопления. В случае избытка теплоты (что характерно для производственных помещений), отопление в рабочее время не потребуется, а теплоизбытки устраняются системами вентиляции. Для поддержания в нерабочее время необходимых температурных условий в таких помещениях используется дежурное отопление, мощность которого определяется в соответствии с теплопотерями при пониженной температуре помещения. В общем виде в помещении могут быть следующие теплопотери: ΣQпотерь = Qогр + Qинф + Qмат + Qтехн , (2.2) где Qогр — теплопотери через ограждающие конструкции (трансмиссионные теплопотери), Вт; Qинф — затраты теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха, проходящего через окна, Вт; Qмат — затраты теплоты на нагрев поступающих снаружи материалов, оборудования и транспорта, Вт; Qтехн — затраты на испарение, эндотермические технологические процессы и др., Вт. Источниками теплопоступлений в помещения могут быть ΣQпоступл = Qл + Qобор + Qэл + Qмат + Qтехн + Qс.р , (2.3) где Qл — теплопоступления от людей, Вт; Qобор — теплопоступления от оборудования, Вт; Qэл — теплопоступления от источников искусственного освещения и работающего электрического оборудования, Вт; Qмат — теплопоступления от нагретых материалов и изделий, Вт; Qтехн — теплопоступления от экзотермических технологических процессов, Вт; Qс.р — теплопоступления от солнечной радиации, Вт. Принимаются во внимание также теплопоступления через ограждающие конструкции смежных помещений. Для помещений конкретных зданий выражения (2.2 и 2.3) могут упрощаться, так как не во всех случаях имеются различного рода теплопотери и теплопоступления. Так, при составлении теплового баланса для гражданских зданий обычно принимают, что в помещении отсутствуют люди, нет освещения и других бытовых тепловыделений, поэтому определяющими расход теплоты на отопление являются теплопотери через ограждения и на нагрев инфильтрующегося воздуха. В жилых зданиях, наряду с теплопотерями, учитываются бытовые тепловыделения: Qот = Qогр + Qинф − Qбыт , 21 (2.4) где Qбыт — суммарные бытовые тепловыделения от людей, освещения, электробытовых приборов и др., Вт: Qбыт = 10 Fп , (2.5) где Fп — площадь пола в помещениях жилых комнат и кухонь, м2. В промышленных зданиях при составлении теплового баланса принимают в расчет интервал технологического цикла с наименьшими тепловыделениями. 2.2. Потери теплоты через ограждающие конструкции помещения В инженерных методах расчета потери теплоты через ограждающие конструкции Qогр складываются из основных Qо и добавочных теплопотерь и рассчитываются как сумма теплопотерь через отдельные ограждающие конструкции с округлением до 10 Вт по формуле: Qогр = kA( tв − tн ) n (1 + ∑β) , (2.6) где k — коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции, Вт/(м2·°С); А — расчетная площадь ограждающей конструкции, вычисленная по правилам ее обмера, м2; tв — расчетная температура воздуха в помещении, °С, принимается в зависимости от назначения помещения по ГОСТ 30494—2011; tн — расчетная температура наружного воздуха, °С, принимаемая по параметрам Б, равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92; если в смежном более холодном помещении температура воздуха ниже, чем в рассчитываемом, на 4 °С и более, то обязателен расчет теплопотерь через внутреннее ограждение, разделяющее эти помещения, при этом tн принимают равной температуре воздуха в более холодном помещении; n — коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружной среде; β — коэффициент, учитывающий добавочные потери теплоты в долях от основных теплопотерь. 2.2.1. Учет добавочных теплопотерь Основные теплопотери через ограждения, подсчитанные по формуле (2.6), при β = 1 часто оказываются меньше действительных теплопотерь, так как при этом не учитывается влияние на процесс некоторых факторов. Потери теплоты могут заметно изменяться под влиянием инфильтрации и эксфильтрации воздуха через толщу ограждений и щели в них, а также под действием облучения солнца и противоизлучения внешней поверхности ограждений. Теплопотери в целом также могут заметно возрасти за счет изменения температуры по высоте помещения, вследствие поступления холодного воздуха через открытые проемы и пр. Эти дополнительные потери теплоты обычно учитываются добавками к основным теплопотерям. 22 Добавка на ориентацию по сторонам света. В помещениях любого назначения добавка на ориентацию по сторонам света принимается для всех наружных вертикальных и наклонных ограждений (стен, окон, дверей): обращенных на С, СВ, СЗ и В — β = 0,1; обращенных на ЮВ, З — β = 0,05; обращенных на ЮЗ, Ю — β = 0. Добавка для вертикальных ограждений (наружные стены, окна и двери) угловых помещений и помещений, имеющих две и более наружных стен: 1) в общественных, административно-бытовых и производственных зданиях в угловых помещениях дополнительно на каждую наружную стену, дверь или окно, если одно из ограждений обращено на С, СВ, СЗ или В делается добавка β = 0,05, в других случаях β = 0,1; таким образом, сумма добавок на ориентацию и на наличие угла не может превышать 0,15; 2) в угловых помещениях жилых и подобных зданиях (общежития, спальни детских учреждений и т. п.) добавку 0,05 или 0,1 не вводят, но расчетную температуру внутреннего воздуха в этих помещениях повышают на 2 °С. Добавка на врывание в здания и сооружения холодного воздуха че­ рез входы, не оборудованные воздушными или воздушно-тепловыми завесами, принимается в зависимости от типа двери и высоты здания H, м, в размере: для одинарных дверей β = 0,22H; двойных дверей с тамбуром между ними β = 0,27H; двойных дверей без тамбура β = 0,34H; наружных ворот производственных зданий β = 3. Добавка на высоту помещения. Для помещений общественных зданий (кроме лестничных клеток) высотой более 4 м суммарные теплопотери (с учетом добавок) увеличиваются на 2 % на каждый метр высоты сверх 4 м, но не более чем на 15 %. Добавку на проветривание холодного подполья зданий в районах вечной мерзлоты при при tн.Б < –40 °С принимают в размере 0,05 основных теплопотерь через полы помещений на первом этаже. 2.2.2. Правила обмера поверхностей ограждающих конструкций помещения Площадь наружных и внутренних ограждений при расчете теплопотерь вычисляют с точностью до 0,01 м2, используя размеры ограждений в метрах, снятые с точностью 0,1 м с планов и разрезов здания. Наружные стены (НС). Длину наружных стен угловых помещений принимают по внешней поверхности от наружных углов до осей внутренних стен; длину наружных стен рядовых (не угловых) помещений — по расстоянию между осями внутренних стен. Высоту наружных стен принимают по разрезам здания: на первом этаже в зависимости от конструкции пола: от внешней поверхности пола, расположенного непосредственно на грунте, или от нижнего уровня подготовки под конструкцию пола на лагах или от нижней поверхно23 сти перекрытия над холодным пространством (подпольем, подвалом, проездом) до уровня чистого пола второго этажа; на средних этажах — от поверхности пола этажа до поверхности пола выше расположенного этажа; на верхнем этаже — от поверхности пола до верха конструкции чердачного перекрытия или верха бесчердачного покрытия (в месте пересечения с внутренней поверхностью наружной стены). Внутренние стены (ВС). Для вычисления площади поверхности внутренних стен по планам измеряют длину стен от внутренней поверхности наружных стен до осей внутренних стен или между осями внутренних стен. По разрезам — высоту стен от поверхности пола до поверхности потолка. Окна, двери, ворота. Площадь окон, дверей, ворот и световых фонарей определяют по наименьшим размерам строительных проемов. Перекрытия. Площадь потолков (ПТ) и полов (ПЛ) над холодным пространством измеряют между осями внутренних стен и внутренней поверхностью наружных стен. Полы. В отапливаемых помещениях полы по грунту и подземные части наружных стен разбиваются на зоны: три ленточные, параллельные наружным стенам и имеющие расчетную ширину 2 м (ПЛ I, ПЛ II, ПЛ III), и четвертая (ПЛ IV) — оставшаяся часть пола в центре здания. Теплопотери через часть наружных стен отапливаемых цокольных или подвальных помещений определяют по площади условных зон шириной 2 м, отсчитываемых от поверхности земли. Теплопотери через пол этих помещений находят также по площади последующих условных зон, причем пол рассматривают как продолжение подземной части наружных стен. Графически правила обмера ограждений представлены на схемах рис. 2.1 и рис. 2.2. Рис. 2.1. Правила обмера площадей ограждающих конструкций: а — разрез здания с чердачным перекрытием; б — разрез здания с совмещенным покрытием; в — план здания: 1 — пол над подвалом; 2 — пол на лагах; 3 — пол на грунте 24 Рис. 2.2. Разбивка поверхности пола (а) и заглубленных частей наружных стен (б) на расчетные зоны I—IV. Пол или стена, не содержащие в своем составе утепляющих слоев из материалов с коэффициентом теплопроводности λ ≥ 1,2 Вт/(м⋅°С), называются неутепленными. Сопротивление теплопередаче такого пола принято обозначать Rн.п, м2⋅°С/Вт. Для каждой зоны неутепленного пола установлены нормативные значения сопротивления теплопередаче: для первой зоны Rн.п = 2,1 (м2⋅ °С)/Вт; для второй зоны Rн.п = 4,3 (м2⋅°С)/Вт; для третьей зоны Rн.п = 8,6(м2⋅°С)/Вт; для четвертой зоны Rн.п = 14,2 (м2⋅°С)/Вт. Если в конструкции пола, расположенного на грунте, имеются утепляющие его слои, его называют утепленным, а его сопротивление теплопередаче Rу.п, м2⋅°С/Вт, определяют по формуле: Rу.п = Rн.п + Σ δ у.с λ у.с , (2.7) где Rн.п — сопротивление теплопередаче рассматриваемой зоны неутепленного пола, м2·°С/Вт; δу.с — толщина утепляющего слоя; λу.с — теплопроводность материала каждого утепляющего слоя, Вт/(м⋅°С). 2.3. Затраты теплоты на нагревание инфильтрационного воздуха При возникновении разности давлений снаружи и внутри здания через неплотности ограждений может проникать воздух. Если воздух проникает в здание — это процесс инфильтрации, если воздух выходит из здания — эксфильтрация. Оба эти процесса называются воздухопроницанием. Инфильтрационный воздух поступает в помещение с температурой, близкой к температуре наружного воздуха. Поэтому в холодный период года его необходимо нагревать. Расход воздуха, поступающего в помещение в результате инфильтрации, в расчетных условиях зависит от объемно-планировочного решения здания, 25 направления и скорости ветра, температуры воздуха, герметичности конструкций и особенно длины и видов притворов открывающихся окон, фонарей, дверей и ворот. В задачу инженерного расчета входит определение расхода инфильтрационного воздуха, поступающего через отдельные ограждающие конструкции каждого помещения. Поскольку инфильтрация через стены и покрытия невелика, ею обычно пренебрегают и в жилых и общественных здания учитывают инфильтрацию только через заполнения световых проемов и дверей, обладающих наибольшей воздухопроницаемостью. Так как целью расчета является определение максимально возможной инфильтрации, принимают, что каждое окно или дверь находится на наветренной стороне здания. Расход теплоты на нагревание инфильтрационного воздуха Qи, Вт, определяется по формуле Qи = 0, 28∑ Gi c(tв − tн )k , (2.8) где ∑Gi — суммарный расход инфильтрационного воздуха через ограждающие конструкции, определяется по формуле (2.9); с — массовая теплоемкость наружного воздуха, принимаемая равной 1 кДж/(кг⋅°С); tв, tн — расчетные температуры, соответственно, внутреннего и наружного воздуха, °С; k — коэффициент, учитывающий нагревание инфильтрационного воздуха в ограждении встречным тепловым потоком, равный: 0,7 — для стыков панелей и окон с тройными переплетами; 0,8 — для окон и балконных дверей с раздельными переплетами и 1,0 — для окон с одинарными и спаренными переплетами. Расход инфильтрационного воздуха через окна и балконные две­ ри определяется из следующего выражения: G = ок i 0,216∑ ( A1Δpi0,67 ) Rи , (2.9) где А — площадь, м2, заполнения световых проемов (окон, балконных дверей, фонарей); ∆pi — расчетная разность давлений по обе стороны остекления на расчетном этаже здания; Rи — сопротивление воздухопроницанию конструкций заполнения световых проемов, (м2·ч·Па)/кг. Расчетная разность давлений Δpi, Па, в общем случае определяется величинами гравитационного pгр и ветрового pv давлений с учетом условнопостоянного давления pint в помещении: Δpi = pгр + pv − pint . (2.10) Гравитационное давление pгр, Па, на ограждающие конструкции возникает вследствие разности плотностей наружного и внутреннего воздуха и зависит от этажности здания: pгр = ( H − hi ) g ( ρн − ρв ) , 26 (2.11) где H — высота здания от поверхности земли до верха карниза или вытяжных отверстий шахт, м; hi — расстояние от поверхности земли до верха окон, дверей и проемов, м; g = 9,81 м/с2 — ускорение свободного падения; ρн, ρв — плотность, соответственно, наружного и внутреннего воздуха, кг/м3. Ветровое давление pv на ограждающие конструкции зависит от скорости ветра, высоты здания, рельефа местности и этажности застройки. Под воздействием ветра на наветренных поверхностях здания возникает избыточное давление, а на заветренных — разрежение. Распределение давления на поверхностях здания зависит от его формы, направления ветра, также рельефа местности и влияния близко расположенных зданий. Величина ветрового давления pv, Па, определяется динамическим давлением ветра и аэродинамическими коэффициентами с наветренной и заветренной сторон, показывающими, какая доля кинетической энергии потока переходит в потенциальную ρнv 2 pv = (Cen − Cep ) kv , 2 (2.12) где ρн — плотность наружного воздуха, кг/м3; v — расчетная скорость ветра в холодный период, м/с; Сen, Сep — аэродинамические коэффициенты, соответственно, на наветренной и заветренной сторонах здания, средние значения которых, согласно СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия», для зданий наиболее распространенной формы Cen = +0,8; Сep = −0,6; kv — коэффициент, учитывающий изменение скоростного давления воздуха по высоте здания (см. там же). Условно­постоянное давление воздуха в помещении pint, Па, определяется в результате решения уравнения воздушного баланса помещения, путем сопоставления расходов воздуха, поступающих в помещение и уходящего из помещения через ограждающие конструкции и с помощью систем вентиляции pint = Po − Pв , (2.13) где Po — давление воздуха в помещении, определяемое из условия соблюдения воздушного баланса; Pв — избыточное относительно Po давление в помещении (прирост или уменьшение давления) из-за действия вентиляции. Для зданий со сбалансированной вентиляцией (вентиляционная вытяжка полностью компенсируется подогретым притоком воздуха) или при отсутствии организованной вентиляции условное давление pint, Па, принимается равным наибольшему избыточному давлению в верхней точке заветренной стороны здания, обусловленному действием гравитационного и ветрового давлений, т. е. pint = 0,5 Hg (ρ н − ρ в ) + 0, 25v 2ρ н (Сen − Cep ) kv . (2.14) Вычисленное значение pint принимается постоянным для всего здания, в лестничной клетке, в непосредственно соединенных с ней коридорах, а так27 же в отдельных помещениях при свободном перетекании воздуха из помещения в коридоры. При наличии в помещении дебаланса механического воздухообмена значение pint определяется из уравнения воздушного баланса помещения. В жилых и общественных зданиях, оборудованных только естественной вытяжной вентиляцией, значение pint, Па, принимается равным потерям давления в вентиляционной системе pint = g ( H − hi )(ρ +5 − ρв ), (2.15) где ρ+5 — плотность наружного воздуха при температуре +5 °С, кг/м3. С учетом уравнения (2.15) для этой категории зданий имеем следующее выражение для определения Δpi, Па: Δpi = g ( H − hi )(ρ н − ρ +5 ) + 0,5ρ н v 2 (Cen − Cep ) kv . (2.16) В жилых и общественных зданиях, оборудованных только естественной вытяжной вентиляцией (без компенсации подогретым притоком воздуха), расход теплоты на нагревание инфильтрационного воздуха определяется двумя путями. Сначала определяют расход теплоты Qвент, Вт, на нагревание наружного воздуха, компенсирующего расчетный расход воздуха Lвент, м3/ч, удаляемого из помещения вытяжной вентиляцией, по формуле: Qвент = 0, 28 Lвентρ н с(tв − tн ). (2.17) Для жилых зданий минимальный расход Lвент определяется из расчета 3 м /ч на 1 м2 площади жилых помещений. В общественных зданиях он должен определяться расчетом воздухообмена в помещениях. Затем рассчитывается расход теплоты Qи по формуле (2.8) и за расчетное принимается большее из полученных значений. Для всех зданий с другим назначением (кроме жилых и общественных с естественной вытяжной вентиляцией) Qи определяется только расчетом по формуле (2.8). При расчете расхода теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха учитывается расположение световых проемов в помещении: при наличии световых проемов только с одной стороны помещения расчет ведется по этой стороне независимо от господствующего направления ветра; при наличии световых проемов в двух противоположных стенах расчет ведется по той стороне, которая дает большее суммарное значение инфильтрации; при наличии световых проемов в трех и четырех стенах и для угловых помещений расчет ведется по стороне с большей суммарной инфильтрацией либо по максимальной сумме инфильтрации в двух смежных стенах с коэффициентом 0,65. 3 28 3. ПОСТУПЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ, ВЛАГИ И ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПОМЕЩЕНИЯ 3.1. Теплопоступления от источников искусственного освещения Теплопоступления от источников искусственного освещения учитывают в холодный период года и, когда это необходимо, в теплый и переходный периоды. Величина освещенности на уровне рабочих мест и электрическая мощность освещения определяется видом выполняемых работ. При этом считают, что вся энергия, затрачиваемая на освещение, переходит в теплоту, нагревающую воздух помещения. Если мощность светильников неизвестна, то теплопоступления от источников освещения Qосв, Вт, определяют в зависимости от принятого уровня освещенности помещения и удельных тепловыделений от установленных светильников по формуле: Qосв = E ⋅ F ⋅ qосв ⋅ ηосв , (3.1) где Е — нормируемая освещенность помещения, лк, принимается по табл. 3.1; F — площадь пола помещения, м2; qосв — удельные тепловыделения от светильников, определяются по табл. 3.2; ηосв — доля теплоты, поступающей в помещение от светильников. Установлено, если осветительные приборы находятся вне пределов помещения (чердачные помещения, остекленные стены, подшивные потолки и т. д.) или светильники снабжены местными отсосами, то доля теплоты, поступающей в помещение ηосв, составляет 0,45 при люминесцентных лампах и 0,15 при лампах накаливания от расходуемой на освещение энергии. Таблица 3.1 Уровень общего освещения помещения Помещения Проектные залы, конструкторское бюро Читальные залы, проектные кабинеты, рабочие и классные комнаты и аудитории Залы заседаний, спортивные, актовые, зрительные залы клубов, фойе театров, обеденные залы, буфеты Крытые бассейны, фойе клубов и кинотеатров Номера гостиниц Зрительные залы кинотеатров, палаты и спальные комнаты санаториев Торговые залы магазинов продовольственных товаров То же, промышленных товаров То же, хозяйственных товаров Аптеки 29 Общая освещенность помещения Е, лк 600 300 200 150 100 75 400 300 200 150 Примечания к табл. 3.1: 1. Для помещений без световых проемов (зрительные залы и т. п.) теплопоступления от освещения учитывают во все периоды года в одинаковом размере. 2. При «глубоких» помещениях (глубиной больше 6 м от оконных проемов) теплопоступления от освещения учитывают также в теплый и переходный периоды от источников, освещающих ту часть помещения, которая удалена от окон более чем на 6 м, совместно с теплопоступлениями от солнечной радиации. 3. Частичный учет теплоты от искусственного освещения в теплый и переходный периоды года с коэффициентом 0,3…0,5 по сравнению с холодным периодом года также возможен в помещениях, в которых часть светильников работает днем (читальные залы, офисы, залы ресторанов и т. п.). Таблица 3.2 Удельные тепловыделения от светильников с люминесцентными лампами (верхние значения) и лампами накаливания (нижние значения) Тип светильника Прямой свет Диффузный свет Отраженный свет Средние удельные тепловыделения qосв, Вт/(лк·м2), для помещений площадью, м2 менее 50 50…200 более 200 при высоте помещения, м до 3,6 более 4,2 до 3,6 более 4,2 до 3,6 более 4,2 0,077 0,202 0,058 0,074 0,056 0,067 0,212 0,280 0,160 0,204 0,154 0,187 0,116 0,166 0,079 0,102 0,077 0,094 0,319 0,456 0,217 0,280 0,212 0,268 0,161 0,264 0,154 0,264 0,108 0,145 0,443 0,726 0,424 0,726 0,297 0,399 3.2. Поступление теплоты и влаги от остывающей пищи В помещениях общественного питания (столовые, кафе, рестораны) в торговых залах имеют место теплопоступления и влагопоступления от остывающей пищи. Поступление полной теплоты от горячей пищи в обеденном зале, Вт, Qг.п = 0,28 ⋅ gп ⋅ сп ( tн.п − tк.п ) n , τ (3.2) где gп — средняя масса блюд, приходящихся на одного обедающего, кг (обычно около 0,85); cп — условная теплоемкость блюд, входящих в состав обеда, кДж/(кг⋅°С), (обычно 3,3); tн.п, tк.п — начальная и конечная температура пищи (принимается соответственно 70 и 40 °С); τ — продолжительность приема пищи (для ресторанов — 1 ч, для столовых и кафе — 0,5…0,75 ч, для столовых самообслуживания — 0,3 ч). Одна треть величины Qг.п поступает в помещение в виде явной теплоты, а две трети — в виде скрытой. Поступление влаги от горячей пищи Wг.п, кг/ч, в торговых залах предприятий общественного питания определяется по величине скрытых теплопоступлений 30 Wг.п = 2 3,6Qг.п , 3 r0 + cв.п 0,5 ( tн.п + tк.п ) (3.3) где r0 — удельная теплота парообразования воды при нулевой температуре, r0 = 2500 кДж/кг; св.п — теплоемкость водяных паров, равная 1,8 кДж/(кг⋅°С). 3.3. Теплопоступления от солнечной радиации через наружные ограждения Теплопоступления от солнечной радиации имеют место как через массивные (бесчердачные покрытия), так и лучепрозрачные (окна, зенитные фонари) ограждения. Через остекленные поверхности солнечная радиация поступает в помещение непосредственно, а бесчердачные покрытия с рулонной кровлей нагреваются солнечной радиацией до температуры значительно превышающей температуру наружного воздуха. Теплопоступления через светопрозрачные ограждения формируются прямой и рассеянной солнечной радиацией и величиной трасмиссионных теплопоступлений (или теплопотерь) вследствие разности температур снаружи и внутри помещения. Процесс поступления солнечной радиации через остекление достаточно сложен, он сопровождается частичным отражением лучистого потока во вне каждой из поверхностей стекла и некоторым поглощением лучистой энергии толщью стекла. На величину потока влияют степень затенения переплетами окна и загрязненность остекления. Так как поверхность остекления обычно бывает заглублена относительно плоскости наружной стены, при косом освещении от откоса стены падает тень на остекление. С целью еще большей затененности иногда применяют специальные стационарные вертикальные или горизонтальные солнцезащитные устройства. Через затененную часть остекления поступает только рассеянная радиация, через освещенную — и рассеянная и прямая. С использованием обозначений, принятых в инженерных руководствах, формулу для определения удельного теплового потока от прони­ кающей солнечной радиации через принятое остекление, Вт, можно записать в следующем виде: ( ) qр = q в K инс.в + qрв K обл K отн τ 2 , в п в (3.4) где qп и qр — максимальное удельное количество теплоты от прямой и рассеянной солнечной радиации, проникающей через вертикальное одинарное остекление, Bт/м2, в зависимости от ориентации фасада, географической широты района строительства и времени суток; Kинс.в и Kобл — соответственно коэффициенты инсоляции и облучения для вертикального остекления, рассчитываемые исходя из размеров окна, толщины стены, размеров выступающих солнцезащитных устройств; Kотн — коэффициент относительного проникания солнечной радиации; τ2 — коэффициент учета затенения окна переплетами, зависящие от типа остекления. 31 Удельные теплопоступления от теплопередачи через окно, Вт, t −t qт = н.усл в , Ro (3.5) где Rо — сопротивление теплопередаче окна в летних условиях, м2·°С/Вт; tн.усл — наружная условная температура на поверхности окна. tн.усл = tн.ср + 0,5 Athβ2 + (S K в инс.в + Dв K обл ) ρII τ 2 αн , (3.6) где tн.ср — средняя температура наиболее жаркого месяца (июля), для кондиционируемых помещений следует принимать наружную температуру в теплый период года по параметрам Б; Аth — средняя суточная амплитуда колебания температуры наружного воздуха в теплый период; β2 — коэффициент, учитывающий суточный ход наружной температуры; ρII — приведенный коэффициент поглощения радиации; Sв, Dв — количество теплоты, поступающей на вертикальную поверхность соответствующей ориентации в зависимости от географической широты и времени суток; αн — коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности окна, Вт/м2·°С; для вертикальной поверхности αн = 5,8 + 11,6 V , где V — расчетная скорость ветра для теплого периода. Суммарное теплопоступление от солнечной радиации через ок­ на при проектировании систем кондиционирования воздуха, Вт, Qср = ( qр + qт ) Аок , (3.7) где Аок — площадь окна, м2. При составлении тепловых балансов для расчета систем вентиляции теплопоступления от теплопередачи qт допускается не учитывать. Если помещение находится на последнем или единственном этаже бесчердачного здания, кроме поступлений через окна, необходимо учитывать поступления от солнечной радиации через покрытие в размере 5…7 Вт/м2. 3.4. Поступления теплоты и влаги от людей Теплопоступления от людей поступают в окружающую среду в виде явной и скрытой теплоты. Явное тепло отдается окружающей среде в результате конвективного и лучистого теплообмена. Скрытое тепло представляет собой теплосодержание водяных паров, испаряющихся с поверхности тела и легких человека. Полное количество выделяемой человеком теплоты зависит в основном от тяжести выполняемой работы и в меньшей степени зависит от температуры помещения и теплозащитных свойств одежды. 32 В табл. 3.3 приведены данные по явным, полным выделениям тепла и влаговыделениям для мужчин в зависимости от степени тяжести работы и температуры воздуха в помещении. Принято считать, что женщины выделяют 85 %, а дети 75 % от приведенных величин для мужчин. Таблица 3.3 Количество теплоты и влаги, выделяемое взрослыми людьми (мужчинами) Показатель Количество теплоты, Вт/чел, и влаги wч, г/(ч·чел), выделяемое одним человеком при температуре воздуха в помещении, °С 10 15 20 25 30 35 90 60 120 95 40 50 При легкой работе 120 99 65 160 151 145 55 75 115 При работе средней тяжести 135 105 70 210 205 200 110 140 185 При тяжелой работе 165 130 95 290 290 290 185 240 295 40 95 75 10 95 115 40 145 150 5 145 200 40 200 230 5 200 280 50 290 355 10 290 415 В состоянии покоя Теплота: явная qч.я полная qч.п Влага wч 140 165 30 qч.я qч.п wч 150 180 40 qч.я qч.п wч 165 215 70 qч.я qч.п wч 200 290 135 120 145 30 3.5. Поступления вредных веществ Основным вредным веществом в помещениях общественных зданий является углекислый газ, выделяющийся при дыхании людей. Выделение в помещение углекислого газа, выдыхаемого людьми, определяется в одинаковом размере для всех периодов года с учетом интенсивности физической нагрузки по табл. 3.4. Таблица 3.4 Количество углекислого газа, выделяемого взрослыми людьми (мужчинами) Интенсивность нагрузки Поступление СО2, mСО2, л/ч от 1 чел. Покой Легкая работа Работа средней тяжести Тяжелая работа 18 25 35 50 Примечание. Для женщин значения необходимо умножить на 0,85; для детей — на 0,75. 33 3.6. Поступление теплоты и влаги с поверхности жидкости Тепло- и массообмен между воздухом и поверхностью жидкости является комплексным процессом, в котором теплообмен взаимосвязан с процессом испарения. С открытой поверхности нагретой воды тепло поступает в помещение в явном и скрытом виде. Количество явной теплоты, поступающей в помещение в результате лучисто-конвективного теплообмена, ориентировочно может быть определено по эмпирической формуле, Вт, Qвя = ( 5,71 + 4,06v в ) (tпов − tв ) Апов , (3.8) где vв — скорость движения воздуха над поверхностью воды, м/с; tпов — температура поверхности воды, °С; tв — температура воздуха °С; Апов — площадь водяной поверхности, м2. Скрытая теплота, поступающая в помещение с водяными парами, определяется по формуле, Вт, (3.9) Qвскр = Wr , где W — влагопоступления с открытой поверхности воды, кг/ч; r — удельная теплота парообразования, кДж/кг, в диапазоне температур от 0 до 60 °С может быть определена по формуле: r = 2500 − 2,36tпов . (3.10) Количество влаги, испарившейся с поверхности некипящей воды, в инженерных расчетах определяется эмпирической зависимостью, кг/ч, W = ( a + 0,131v в ) ( pпов − pв ) 101,3 Апов , B (3.11) где a — коэффициент, зависящий от температуры поверхности воды (табл. 3.5); pпов — парциальное давление водяного пара, соответствующее полному насыщению при температуре воздуха, равной температуре поверхности испарения, кПа; pв — парциальное давление водяного пара в воздухе помещения, кПа; B — расчетное барометрическое давление для данной местности, кПа. Таблица 3.5 Значения коэффициента а в зависимости от температуры испаряющейся воды tпов, °С a 30 0,022 50 0,033 34 70 0,041 90 0,051 4. СВОЙСТВА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА И ПРОСТЕЙШИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОГО СОСТОЯНИЯ 4.1. Свойства влажного воздуха Свойства воздуха определяются его тепловлажностным состоянием, газовым составом и содержанием вредных газов, паров и пыли. Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. В состав сухого воздуха по объему входят: 78 % азота, 21 % кислорода, 0,03 % углекислого газа и незначительное количество инертных газов (водород, озон, неон, аргон и др.). Смесь сухого воздуха с водяным паром называется влажным воздухом. Реальный воздух всегда влажный и его можно рассматривать как бинарную смесь, т. е. смесь двух газов — сухого воздуха с молярной массой μс.в = 29 кг/моль и водяного пара с молярной массой μп = 18 кг/моль. Влажный воздух подчиняется закону Дальтона, согласно которому полное барометрическое давление смеси В, Па, равняется сумме парциальных давлений отдельных газов, входящих в смесь, В = Рс.в + Рп , (4.1) где Pс.в — парциальное давление сухого воздуха, Па; Pп — парциальное давление водяного пара, Па. Количество водяных паров во влажном воздухе зависит от температуры воздуха. Чем ниже температура воздуха, тем меньше влаги он может удерживать в себе. Влажный воздух, содержащий максимальное при данной температуре количество водяного пара, называется насыщенным. Насыщенный воздух состоит из сухого воздуха и насыщенных водяных паров (ϕ = 100 %). Ненасыщенный влажный воздух состоит из сухого воздуха и перегретого водяного пара (ϕ меньше 100 %). Основными показателями влажного воздуха являются: плотность, влагосодержание, относительная влажность, парциальное давление водяного пара, удельная теплоемкость и удельная энтальпия. Плотность влажного воздуха, кг/м3, представляет собой отношение массы воздушно-паровой смеси M, кг, к объему этой смеси V, м3, ρв = 35 M . V (4.2) Согласно уравнению Клапейрона плотность сухого воздуха, кг/м3, прямо пропорциональна его температуре ρс.в = Вμ с.в 101,32 ⋅ 29 353 , = = 8,314T RT T (4.3) где R = 8,314 кДж/(моль⋅К) — универсальная газовая постоянная; T — температура воздуха, К; В = 101,32 кПа — нормальное барометрическое давление. При стандартных условиях (В = 101,32 кПа и t = 200 °C) плотность сухого воздуха ρс.в, кг/м3, равна ρ с.в = 353 = 1,2. 273 + 20 Плотность влажного воздуха ρв, кг/м3, можно определить из уравнения ρв = 1 − 0,00374 Pп , (4.4) где Рп — парциальное давление водяного пара в воздухе, кПа. Так как парциальное давление водяного пара — величина положительная, то плотность влажного воздуха меньше плотности сухого воздуха. В реальных условиях плотность влажного воздуха отличается от плотности сухого воздуха не более чем на 1 %. Поэтому обычно при расчетах процессов отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха плотность считают для сухого воздуха. Влагосодержание воздуха d, г/кг, представляет собой массу водяного пара в граммах, приходящуюся на 1 кг сухой части влажного воздуха 103 μ п Рп 103 ⋅ 18Рп Pп . d= = = 622 μ с.в Рс.в 29 Рс.в B − Рп (4.5) Относительная влажность воздуха ϕ, %, определяет степень насыщения воздуха водяными парами и представляет собой отношение парциального давления водяного пара Рп, содержащегося во влажном воздухе заданного состояния, к парциальному давлению насыщенного водяного пара Рн.п при той же температуре Р ϕ = п 100 %. (4.6) Рн.п Пользуясь понятием относительной влажности воздуха ϕ, влагосодержание воздуха d, г/кг, можно определить как d = 622 ϕРн.п . В − ϕРн.п (4.7) Парциальное давление насыщенного водяного пара зависит только от температуры воздуха и может быть определено по справочным таблицам или по эмпирической формуле 36 Рн.п = 479 + (11,52 + 1,62t ) . 2 (4.8) В вентиляционных процессах пользуются значением удельной массовой теплоемкости воздуха св = 1,006 кДж/(кг⋅К) и значением удельной тепло­ емкости водяного пара сп = 1,805 кДж/(кг⋅К), которые в интервале температур воздуха от −40 до +600 °С можно считать постоянными. Удельная энтальпия влажного воздуха I, кДж/кг, — это количество теплоты, содержащееся во влажном воздухе при заданных температуре и давлении, отнесенное к 1 кг сухого воздуха. Удельная энтальпия влажного воздуха представляет сумму энтальпий сухого воздуха и водяного пара I = I с.в + I п d , (4.9) где Iс.в — удельная энтальпия сухого воздуха, кДж/кг, I с.в = сс.вt; (4.10) Iп — удельная энтальпия водяного пара, кДж/кг, I п = r + cпt , (4.11) где r = 2501 кДж/кг — удельная теплота парообразования. Для диапазона температур от −50 до +50 °С при определении удельной энтальпии влажного воздуха I, кДж/кг, пользуются зависимостью I = 1,006t + ( 2501 + 1,805t ) d ⋅ 10−3. (4.12) 4.2. I—d­диаграмма влажного воздуха На основании уравнений (4.7) и (4.12) профессором Казанского университета Л. К. Рамзиным в 1918 г. была предложена I—d-диаграмма, широко используемая в расчетах вентиляции, кондиционирования воздуха, сушки и других процессов, связанных с изменением состояния влажного воздуха. Эта диаграмма выражает графическую зависимость между основными параметрами воздуха: энтальпией, влагосодержанием, температурой, относительной влажностью и парциальным давлением водяных паров, определяющими его тепловлажностное состояние при заданном барометрическом давлении. Диаграмма (рис. 4.1) построена в косоугольной системе координат, угол между осями абсцисс и ординат составляет 135°. Такая система позволяет расширить на диаграмме область ненасыщенного влажного воздуха, что делает ее удобной для графических построений. По оси ординат диаграммы отложены значения энтальпии I, кДж/кг сухой части воздуха, по оси абсцисс, направленной под углом 135° к оси I, отложены значения влагосодержания d, г/кг сухой части воздуха. Поле диаграммы разбито линиями постоянных значений энтальпии I = const и влагосодержания d = const. На него нанесены также линии постоянных значений температуры t = const, которые не парал37 лельны между собой — чем выше температура влажного воздуха, тем больше отклоняются вверх его изотермы. Кроме линий постоянных значений I, d, t, на поле диаграммы нанесены линии постоянных значений относительной влажности воздуха φ = const. В нижней части I—d-диаграммы расположена кривая, имеющая самостоятельную ось ординат. Она связывает влагосодержание d, г/кг, с упругостью водяного пара Рп, кПа. Ось ординат этого графика является шкалой парциального давления водяного пара Рп. Рабочее поле диаграммы ограничено кривыми линиями равных относительных влажностей 0 и 100 %, между которыми нанесены линии других значений равных относительных влажностей с шагом 10 %. Область выше кривой φ = 100 % относится к ненасыщенному влажному воздуху, это рабочая область, характеризующая атмосферный воздух. Ниже этой линии расположена область перенасыщенного состояния воздуха (состояние тумана). В этой области наносят линии процессов изменения состояния воздуха, связанных с расчетом воздушного холодильного цикла, а также при использовании воздуха в состоянии тумана. Каждая точка на поле диаграммы соответствует определенному тепловлажностному состоянию воздуха. Положение точки определяется любыми двумя (I, d, t, φ, Pп) параметрами состояния за исключением сочетания параметров d и Pп. Остальные три параметра могут быть определены по I—dдиаграмме как производные без вычислений. Диаграмма удобна не только для определения параметров состояния воздуха, но и для построений изменений его состояния при нагревании, охлаждении, увлажнении, осушении, смешении, при произвольной последовательности и сочетании эти процессов. Кроме пяти основных параметров воздуха, пользуясь I—d-диаграммой, можно найти еще два важных параметра, которые широко используются в расчетах вентиляции и кондиционирования воздуха: температуру точки росы воздуха tр и температуру мокрого термометра воздуха tм. Температурой точки росы воздуха tр называется температура, до которой нужно охладить ненасыщенный воздух, чтобы он стал насыщенным при сохранении постоянного влагосодержания. Это граничная температура, при которой влага еще удерживается в воздухе, ниже tр влага выпадает из воздуха в виде конденсата. Для нахождения температуры tр воздуха известного состояния с помощью I—d-диаграммы (точка А на рис. 4.2) через точку, характеризующую его состояние, проводят линию d = const до пересечения с кривой φ =100 %. Изотерма, проходящая через точку пересечения, соответствует значению температуры точки росы воздуха. Температура мокрого термометра tм — это температура, которую принимает влажный воздух при достижении насыщенного состояния и сохранении постоянного теплосодержания воздуха, равного начальному. В I—dдиаграмме температуре tм соответствует изотерма, проходящая через точку пересечения линии I = const, проведенной через точку, соответствующую состоянию влажного воздуха (точка А на рис. 4.2), с кривой φ = 100 %. 38 Рис. 4.1. I—d-диаграмма влажного воздуха 39 Рис. 4.2. К определению температуры точки росы tр и температуры мокрого термометра tм Независимо от I—d-диаграммы Л. К. Рамзина в 1923 г. в Германии Р. Молье была предложена h—x-диаграмма. Именно в этой диаграмме была предложена шкала величин ε под названием «угловой масштаб». Диаграммы Р. Молье и Л. К. Рамзина отличаются буквенными обозначениями энтальпии и влагосодержания. При расчетах можно пользоваться обеими диаграммами. 4.3. Простейшие процессы изменения состояния влажного воздуха в I—d­диаграмме Для рассмотрения процессов в помещении при вентиляции и кондиционировании воздуха необходимо предварительно рассмотреть простейшие процессы изменения состояния влажного воздуха и их изображение в I—dдиаграмме. К простейшим относятся процессы, протекающие при постоянстве одного из трех основных линейных параметров состояния: температуры, влагосодержания или энтальпии. При изображении простейших процессов (нагрева, охлаждения, увлажнения и т. п.) точки, соответствующие начальному и конечному состоянию воздуха, соединяют прямой линией, которая характеризует процесс изменения параметров воздуха и называется лучом процесса. Направление луча процесса в I—d-диаграмме определяют угловым коэффициентом ε. При начальном состоянии воздуха, соответствующем параметрам I1 и d1, а конечном — параметрам I2 и d2 (рис. 4.3), угловой коэффициент ε равен отношению, кДж/кг, ε= ( I 2 − I1 )1000 . d2 − d1 (4.13) Этот коэффициент характеризует направление изменения состояния воздуха и определяет соотношение изменений количества теплоты и влаги в воздухе. 40 Рис. 4.3. К определению направления луча процесса ε в I—d-диаграмме Луч процесса может изменять свою величину и знак от –∞ до +∞ (рис. 4.4). Для построения луча процесса на I—d-диаграмме нанесены направления масштабных лучей, соответствующих угловым коэффициентам, которые исходят из начала координат (I = 0, d = 0). Значения угловых коэффициентов нанесены на направлениях лучей по контуру основного поля I—d-диаграммы. На рис. 4.4 видно, что все возможные изменения состояния влажного воздуха располагаются на поле I—d-диаграммы в четырех секторах, границами которых являются линии d = const и I = const. В секторе I процессы происходят с увеличением энтальпии и влагосодержания, поэтому ε > 0. В секторе II происходит осушение воздуха с увеличением энтальпии и значение ε < 0. В секторе III процессы идут с уменьшением энтальпии и влагосодержания и ε > 0. В секторе IV происходят процессы увлажнения воздуха с понижением энтальпии, поэтому ε < 0. Рис. 4.4. Характерные области значений показателя направления луча процесса изменения тепловлажностного состояния воздуха — углового коэффициента ε (I и III — ε > 0; II и IV — ε < 0) 41 Процессы нагрева и охлаждения воздуха. Простейшим является процесс нагрева воздуха в результате контакта с сухой нагретой поверхностью (в воздухонагревателе), при котором влагосодержание воздуха остается неизменным. В I—d-диаграмме этот процесс изображается вертикальной линией, направленной снизу вверх (отрезок 1—2 на рис. 4.5). Рис. 4.5. Изображение в I—d-диаграмме процессов нагрева и охлаждения воздуха Расход теплоты, Вт, на нагрев потока воздуха с расходом Gв, кг/ч, Q1−2 = GвСв ( t2 − t1 ) / 3,6. (4.14) В процессе охлаждения от точки 1 до точки 3 (см. рис. 4.5) по линии d = const в результате контакта с сухой холодной поверхностью воздух отдает только явное конвективное тепло. Расход теплоты, Вт, отводимой от потока воздуха Q1−3 = GвСв ( t1 − t3 ) / 3,6. (4.15) Такой процесс сухого охлаждения воздуха может протекать до состояния, соответствующего точке 4 (см. рис. 4.5) пересечения луча d = const с линией φ = 100 %. Эта точка соответствует температуре точки росы воздуха. Дальнейшее охлаждение приведет к конденсации водяных паров, находящихся в воздухе, и процесс охлаждения пойдет вниз по кривой φ = 100 % к точке 5 или далее. В этом случае от воздуха отводится не только явная, но и скрытая теплота, Вт, общее количество которой равно Q1−5 = Gв ( I1 − I 5 ) / 3,6. (4.16) Процесс увлажнения воздуха. При слишком сухом воздухе в помещении его увлажнение достигается посредством соответствующей обработки в системе кондиционирования. Такой процесс увлажнения может быть реализован двумя способами: путем увлажнения воздуха водой или водяным паром. 42 При контакте воздуха с тонкой пленкой воды или ее мелкими каплями температура воздуха практически равна температуре воздуха по мокрому термометру. Такой процесс называется адиабатическим увлажнением. В этом процессе энтальпия воздуха остается практически неизменной и на I—d-диаграмме он прослеживается по линии I = const. На рис. 4.6 показано изменение состояния воздуха при контакте с водой, имеющей температуру мокрого термометра tм1 от точки 1 вдоль линии I = const до точки 2 (если воздух ассимилирует ∆d1 влаги) и до точки 3 (предельного состояния воздуха при полном его насыщении водяными парами при φ = 100 %). Такое увлажнение воздуха можно осуществить в контактном аппарате (форсуночной камере или сотовом увлажнителе) с рециркулирующей водой. Практически конечное значение относительной влажности составляет 90…95 % увлажнения воздуха. Увлажнение воздуха без изменения своей температуры происходит в случае подачи в него водяного пара, имеющего температуру воздуха по сухому термометру. В I—d-диаграмме такой процесс прослеживается по линиям I = const. При подаче пара в воздух с параметрами, соответствующими точке 1 (см. рис. 4.6), состояние воздуха изменяется слева направо по линии t1 = сonst. После увлажнения воздуха его состоянию может соответствовать любая точка на этой изотерме (например, при изменении влагосодержания на величину ∆d2 — точка 4). Предельному состоянию воздуха в этом процессе соответствует точка 5 на пересечении луча процесса с кривой φ = 100 %. Рис. 4.6. Изображение в I—d-диаграмме процессов адиабатического и изотермического увлажнения воздуха Процесс смешения воздуха, имеющего различные параметры состояния. Такой процесс обычно имеет место при рециркуляции, т. е. при подмешивании части удаляемого из помещения воздуха к наружному. Возможны и другие случаи, связанные с перемешиванием масс воздуха разного состояния. 43 В I—d-диаграмме процесс смешения воздуха изображается прямой, соединяющей точки состояния смешиваемых масс воздуха. Точка смеси всегда располагается на этой прямой и делит ее на отрезки, длины которых обратно пропорциональны смешиваемым количествам воздуха. При смешении воздуха состояния 1 (рис. 4.7) в количестве G с воздухом состояния 2 в количестве nG точка смеси 3 разделит отрезок 1—2 или его проекции ∆I1—2 и ∆d1—2 на части 1—3, 3—2 или ∆I1—3, ∆I3—2 и ∆d1—3 и ∆d3—2, отношение длин которых равно: 1 − 3 ΔI1−3 Δd1−3 G 1 = = = = . 3 − 2 ΔI 3−2 Δd3−2 nG n (4.17) Чтобы найти точку смеси в I—d-диаграмме, необходимо отрезок 1—2 или его проекции разделить на n + 1 часть и отложить одну часть от точки 1, оставив n частей от точки 2. Иногда возможны случаи, когда точка смеси может оказаться в области ниже кривой φ = 100 %. Это означает, что при смешении будет образовываться туман (конденсация в мелкие капли водяных паров, содержащихся в воздухе). Если принять, что температура выпадающей влаги близка к температуре мокрого термометра, которой соответствует (I3' = const) точка 3' (рис. 4.8), то действительные параметры точки смеси 3 будут соответствовать пересечению линий I3' = const и φ = 100 %. Рис. 4.7. Процесс смешения потоков воздуха с разными параметрами Рис. 4.8. Процесс смешения потоков воздуха при расположении точки смеси ниже линии φ = 100 % Если смешать воздух состояния 1 в количестве G1 с воздухом состояния 2 в количестве G2, то на основании балансового уравнения явных теплосодержаний c ⋅ G1 ⋅ t1 + c ⋅ G2 ⋅ t2 = c(G1 + G2 )tсм 44 (4.18) имеем tсм = G1t1 + G2t2 . G1 + G2 (4.19) Пересечение изотермы tсм и прямой 1—2 определит положение точки смеси 3. По однотипным формулам можно определить значения параметров dсм и Iсм d см = G1d1 + G2 d 2 G I + G2 I 2 ; I см = 1 1 . G1 + G2 G1 + G2 (4.20) Процессы изменения состояния воздуха при контакте его с водой. С целью увлажнения или осушения, охлаждения или нагрева воздух вводят в контакт с водой в контактных аппаратах (форсуночных камерах или сотовых увлажнителях) с непосредственным разбрызгиванием воды в воздухе. Предполагая, что тонкий слой воздуха на поверхности воды полностью насыщен водяными парами, принимают, что его температура равна температуре поверхности воды. Состояние воздуха в этом слое определяется по температуре воды, считая его относительную влажность равной φ = 100 %. Поэтому в I—d-диаграмме процесс обработки воздуха водой изображается отрезком, выходящим из точки начального состояния воздуха А и пересекающим кривую φ = 100 % (рис. 4.9) при температуре разбрызгиваемой воды. Воздух при обмене с водой теплом и влагой претерпевает различные изменения. Рис. 4.9. Возможные процессы обработки воздуха водой На рис. 4.9 и в табл. 4.1 представлены характерные случаи изменения состояния воздуха при контакте его с водой, имеющей разную, но неизменную во времени температуру. Начальным параметрам воздуха соответствует точка А. В реальных аппаратах расход воды и поверхность контакта имеют конечные значения, и температура воды в процессе тепло- и массообмена не может быть постоянной (кроме режима адиабатного увлажнения). Поэтому 45 фактические процессы изменения состояния влажного воздуха при его обработке водой изображаются кривыми линиями, направленными из точки начального состояния воздуха к точке на кривой насыщения, соответствующей конечной температуре воды. Причем относительная влажность воздуха, выходящего из контактного аппарата, практически равна 85…95 %. Таблица 4.1 Характерные случаи изменения состояния воздуха при контакте его с водой Соотношения температур воздуха tА и воды tвод tвод > tА (точка 1) tвод = tА (точка 2) tмА < tвод < tА (точка 3) tвод = tмА (точка 4) tрА < tвод < tмА (точка 5) tвод = tрА (точка 6) tвод < tрА (точка 7) Характеристика процесса обработки воздуха Увлажнение и нагрев воздуха. Испарение осуществляется целиком за счет ее собственной энтальпии Воздух увлажняется изотермически, не изменяя своей температуры Увлажнение и некоторое охлаждение воздуха Адиабатическое увлажнение воздуха Воздух несколько увлажняется и заметно охлаждается Охлаждение воздуха при неизменном влагосодержании (сухое охлаждение) Воздух интенсивно охлаждается и осушается 46 5. ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА 5.1. Общие сведения Избытки тепла и влаги, выделения токсичных паров и газов, пыли приводят к нарушению качества внутреннего воздуха. Нейтрализацию этих возмущающих воздействий на микроклимат осуществляют удалением из помещения загрязненного и подачей в него свежего вентиляционного воздуха, т. е. организацией воздухообмена. Процесс формирования параметров микроклимата с помощью воздухообмена и есть вентиляционный процесс. Вентиляцией называют совокупность мероприятий и устройств, обеспечивающих расчетный воздухообмен в помещениях жилых, общественных и промышленных зданий. Вентиляция входит в комплекс мероприятий по охране труда. Санитарно-гигиеническое назначение вентиляции — поддержание в допустимых или оптимальных пределах параметров воздуха (температуры, относительной влажности, подвижности, запыленности и загазованности), т. е. создание условий, необходимых для здоровья людей, в соответствии с санитарными нормами. Технологические требования, предъявляемые к системе вентиляции, для ведения технологических процессов в промышленных зданиях различного назначения: обеспечение чистоты, температуры, относительной влажности, подвижности воздуха в помещении. Выпуск продукции предприятий радиотехнической, электровакуумной, текстильной, химической, фармацевтической промышленности, а также сохранность уникальных общественных зданий и сооружений напрямую зависят от работы вентиляции. В жилых и гражданских зданиях приоритетным является поддержание параметров воздушной среды, благоприятных для пребывания человека. В помещениях производственных зданий требование обеспечения оптимальных условий для проведения технологического процесса является определяющим и может вступать в противоречие с условиями комфортного пребывания в нем человека. Примерами тому являются хлопкопрядильные цехи ткацких фабрик, в которых поддерживается относительная влажность воздуха, близкая к 100 %, холодильные камеры для хранения овощей с круглогодичной температурой 0…2 °С и др. 47 5.2. Классификация систем вентиляции Вентиляция может осуществляться специальными устройствами — вентиляционными системами (установками), а также за счет открывания проемов. Аэрация — это система организованного естественного проветривания помещений. Система вентиляции — это комплекс устройств для обработки, транспортировки, раздачи или удаления воздуха в целях поддержания заданных санитарно-гигиенических или технологических условий. Системы, подающие воздух в помещение, — приточные, удаляющие — вытяжные. Вентиляционные системы классифицируются по ряду признаков. По способу перемещения воздуха вентиляционные системы делятся на системы с естественным и искусственным побуждением. Системы с ес­ тественным побуждением могут работать за счет гравитационных сил, ветрового давления и их совместного действия. Системы с искусственным побуждением могут иметь как тепловой, так и механический побудитель. В системах вентиляции в основном используется механический побудитель. По функциональному признаку вентиляционные системы делятся на приточные (рис. 5.1), вытяжные (рис. 5.2, 5.3), рециркуляционные (рис. 5.4), воздушнотепловые и воздушные завесы. Системы без рециркуляции еще называют прямоточными. Рис. 5.1. Общеобменная приточная система: 1 — воздухозаборное устройство; 2 — приточная камера (обработка воздуха — очистка, подогрев, охлаждение, увлажнение, осушка); 3 — вентагрегат; 4 — воздуховоды (вентканалы); 5 — регулирующие устройства (дроссель-клапан, шибер); 6 — воздухораспределитель (приточные насадки); 7 — контур помещения Системы вентиляции могут быть общеобменными (см. рис. 5.1, 5.2), т. е. осуществляющими обмен воздуха (подачу и удаление) по всему помещению, а также местными (рис. 5.3), локальными, т. е. удаляющими или подающими воздух в непосредственной близости от источника выделения вредностей. Соответственно такая система будет называться местной вытяжной или приточной. 48 Рис. 5.2. Общеобменная вытяжная система: 1 — решетка (насадка), тяжелые газы забираются у пола, а тепло и легкие пары в верхней зоне всего помещения; 2 — воздуховоды (система может быть и бесканальная); 3 — вентагрегат (система может быть и без него); 4 — шахта с зонтом; 5 — контур помещения По способу транспортирования системы разделяют на канальные и бесканальные. Канальная имеет систему воздуховодов (см. рис. 5.1—5.4). Бесканальная осуществляет вентиляцию через проемы в наружных ограждениях. Примером вытяжной бесканальной механической вентиляции является установка крышного вентилятора. Приточная бесканальная система вентиляции с механическим побуждением осуществляется путем установки вентилятора, обычно осевого, в приточном проеме. Применяется для вентиляции производственных и вспомогательных помещений с небольшим количеством работающих и в случае отсутствия в них постоянных рабочих мест. Проветривание может производиться как в теплый, так и в холодный периоды года периодически. Иногда применяется в качестве дополнительного проветривания к основным работающим системам. Воздух удаляется через открытый проем. Рис. 5.3. Местная вытяжная система: 1 — местный отсос; 2 — регулирующее устройство; 3 — воздуховоды; 4 — вентагрегат; 5 — устройство для очистки удаляемого воздуха; 6 — вентшахта; 7 — зонт, выброс воздуха; 8 — контур помещения 49 По способу организации воздухообмена бывает сосредоточенная и рассредоточенная подача (удаление) воздуха. В помещениях чаще всего используется различная комбинация систем. В рециркуляционных системах (см. рис. 5.4) воздух удаляется из помещения после обработки и подается снова в помещение. Вентиляционная система (см. рис. 5.4) может быть: 1) прямоточной (дроссель 7 закрыт); 2) с частичной рециркуляцией (все дроссели 2, 5, 7 открыты); 3) рециркуляционной (дроссель 2 закрыт). При естественном воздухообмене приточный, подаваемый в помещение, и удаляемый (загрязненный) воздух никакой обработке не подвергаются. При выборе типа систем учитывается санитарно-гигиеническая эффективность различных видов систем, их технико-экономические показатели (капитальные и эксплуатационные затраты, металлоемкость, технологичность изготовления, удобство эксплуатации и ремонта), бесшумность, эстетические соображения. Рис. 5.4. Рециркуляционная система: 1 — воздухозаборное устройство; 2, 5, 7 — дроссели; 3 — приточная камера; 4 — вентагрегат; 6, 8 — воздуховоды; 9 — вытяжная решетка; 10 — воздухораспределитель; 11 — контур помещения 5.3. Аэродинамика вентилируемого помещения и организация воздухообмена Конвективная теплота, пары, газы, пыль, выделяющиеся в помещении, распространяются движением струй. В результате взаимодействия струй между собой, а также со строительными конструкциями и оборудованием в помещении формируются поля температур, скоростей и концентраций вредных выделений. Струя — направленный поток с конечными поперечными размерами. Границы струи определяются тем, что скорости воздуха на них уменьшаются до нуля. В помещении струи истекают из вентиляционных отверстий, из неплотностей ограждений, оборудования, вследствие движения механизмов и т. д. Конвективные (тепловые) струи возникают у нагретых поверхностей. 50 По классификации, принятой в аэродинамике, воздушные струи относятся к затопленным, так как истекают в однородную среду. При истечении струи из отверстия с соотношением сторон менее 1 : 3 струя преобразуется в эллипсовидную, а затем в округлую. При соотношении отверстия более чем 1 : 10 струя рассматривается как плоская. Она может превратиться в осесимметричную на большом расстоянии от места образования. Различают струи свободные и несвободные (стесненные), турбулентные и ламинарные, изотермические и неизотермические. Свободная струя не стеснена в своем развитии никакими препятствиями, несвободная ими ограничена. Настилающаяся струя (полуограниченная) развивается вдоль поверхности ограждения. Приточные струи развиваются как свободные до тех пор, пока площадь их поперечного сечения не достигнет примерно 25 % площади поперечного сечения помещения. После этого начинает проявляться стесненность струи: более быстрое падение скорости, уменьшение прироста площади поперечного сечения и расхода воздуха и т. д. Когда струя занимает примерно 40 % площади поперечного сечения помещения, происходит ее затухание. Ламинарные и турбулентные струи различаются режимом течения. В ламинарной струе отдельные струйки движутся параллельно. В турбулентной струе происходит поперечное перемещение и перемешивание воздуха. В системах вентиляции и кондиционирования практически всегда струи турбулентны. В зависимости от температуры истечения струи разделяются на изотермические и неизотермические. У изотермической струи температура во всем ее объеме равна температуре окружающего воздуха, у неизотермиче­ ской струи температура изменяется по мере ее развития, приближаясь к температуре окружающего воздуха. В зависимости от конструкции воздухораспределительного устройства струи могут развиваться по разным траекториям. На рис. 5.5 изображено развитие изотермической осесимметpичной струи, поперечные размеры которой симметричны относительно ее оси, которая является прямолинейной. На границе струи, где продольная составляющая скорости равна нулю, имеет место интенсивное подмешивание масс воздуха в струи и уменьшение скорости воздуха. В пределах координаты xн скорость воздуха по оси струи и в ее поперечном сечении равна скорости истечения. Этот участок называется начальным. В последующем осевая скорость уменьшается, как и скорость в поперечном сечении. Осесимметричные струи вытекают из круглого отверстия и являются компактными. К компактным относятся также струи, вытекающие из квадратных и прямоугольных насaдков. Плоские струи (рис. 5.6, а) образуются при истечении воздуха из щелевых отверстий с соотношением сторон больше 20. Струя рассматривается как плоская на расстоянии х ≤ 6(2Ао), где (2Ао) — размер большей стороны отверстия; в последующем струя рассматривается как компактная. 51 Рис. 5.5. Свободная изотермическая осесимметричная струя Веерные струи (рис. 5.6, б) образуются при принудительном рассеивании воздуха в плоскости на некоторый угол. Различают полные веерные струи с углом пpинудительного рассеивания 360° и неполные веерные с углом менее 360°. Конические струи (рис. 5.6, в) образуются при установке на выходе воздуха из отверстия рассеивающего конуса с углом при вершине 60 ± 2,5°. Закрученные струи (рис. 5.6, г) образуются закручивающими устройствами или при тангенциальном подводе в воздухораспределитель воздуха. Как и другие устройства, принудительно расширяющие границы струи, закручивание струи предназначено для ускорения затухания струи и снижения скорости воздуха в струе. Рис. 5.6. Вентиляционные приточные струи: а — плоская; б — веерная; в — коническая; г — закрученная В технике вентиляции обычно имеют дело с неизотермическими струями. В таких струях из-за разности плотности воздуха в струе и окружающего воздуха возникают гравитационные (архимедовы) силы, соизмеримые с си52 лами инерции. Вследствие действия этих сил ось струи искривляется, отклоняясь от пpямолинейной. При горизонтальном или под углом к горизонту выпуске струи охлажденная струя опускается, а нагретая — всплывает. Неизотермические струи из-за их криволинейной траектории часто называют воздушными фонтанами (рис. 5.7). Рис. 5.7. Схема воздушного фонтана Приточные струи обладают значительной дальнобойностью, они вовлекают в общее движение большие массы воздуха в помещении и являются основным фактором, определяющим характер движения воздуха в помещении. Однако, несмотря на ограниченный радиус действия вытяжных отверстий, их расположение в помещении также оказывает определенное влияние на перемещение воздушных потоков. Одним из требований, предъявляемых к организации воздухообмена в помещении, является обеспечение равномерности распределения расчетных параметров воздуха в рабочей зоне помещения. Это требование возможно выполнить, если весь объем рабочей зоны будет равномерно проветриваться. Особенно это важно для производственных помещений с выделением взрывоопасных паров и газов. В этой связи значительный интерес представляют результаты исследований влияния взаимного расположения в помещении приточных и вытяжных отверстий. На рис. 5.8 представлены схемы движения воздуха в помещениях, полученные в результате экспериментов в модели вентилируемого помещения. Схема на рис. 5.8, а: вытяжка — через отверстие в торцевой стенке, приток — через проем, равный по площади противоположной стенке. На кромках около открытого проема происходит некоторое поджатие струи и образуются небольшие вихри. По мере движения к вытяжному отверстию поток выравнивается. В углах создаются незначительные вихревые зоны. Это единственная схема из представленных, где не создаются обратные потоки воздуха. При других схемах организации воздухообмена создаются циркуляционные потоки воздуха. 53 Рис. 5.8. Схемы движения воздуха в вентилируемых помещениях Наиболее целесообразной схемой считают схему на рис. 5.8, и. Здесь приточное и вытяжное отверстия расположены на одной торцевой стенке. Весь поток воздуха совершает поворот к вытяжному отверстию. На схеме рис. 5.8, к показан характер движения воздуха в помещении большой протяженности. Приточная струя, не достигнув противоположной стенки, распадается, в помещении создаются два кольца циркуляции. Надо отметить, что схемы движения воздуха в помещении получены в изотермических условиях. Во многих случаях на распространение вредных веществ в помещении значительное влияние оказывают конвективные потоки. В организации воздухообмена в помещении основная роль принадлежит выбору мест подачи и удаления воздуха. При неудачном решении организации воздухообмена в помещении создаются застойные зоны с повышенной концентрацией вредных веществ, возникают затруднения с обеспечением требуемых параметров воздуха на рабочих местах. Для оптимальной организации воздухообмена должен быть учтен ряд факторов: технологические и строительные особенности помещения, вид и интенсивность вредных выделений, расположение рабочих мест, экономические соображения и др. 54 Нужно принять во внимание особенности распространения вредных веществ в воздухе, которые зависят от их свойств (плотности, а для пыли также дисперсности). Эти вопросы рассматривают с учетом такого фактора, как интенсивность тепловых потоков в помещении. Известно, что тепловые потоки способны перемещать пары и газы, имеющие плотность значительно выше плотности воздуха, а также пыль в верхнюю зону помещения. При отсутствии существенных теплоизбытков более легкие, чем воздух, пары и газы поднимаются в верхнюю зону помещения. К ним относятся, например, водяные пары и оксид углерода (относительная плотность по воздуху соответственно 0,623 и 0,967). Газы, более тяжелые, чем воздух, например, диоксид углерода (относительная плотность по воздуху 1,524), накапливаются в рабочей зоне. Интенсивные тепловые потоки от высокотемпературных источников увлекают с собой в верхнюю зону помещения тяжелые пары и газы, а также пыль. Загрязненный воздух при общеобменной вентиляции следует удалять из мест с наибольшей концентрацией вредных веществ. Подачу воздуха производят в относительно чистую зону помещения, как правило, вблизи рабочих мест. Обычно находят применение следующие схемы организации воздухообмена (рис. 5.9): а) «снизу вверх» — при совместном выделении теплоты и газов или теплоты и пыли; б) «сверху вниз» — при выделении в помещении паров летучих жидкостей (бензола, толуола, ацетона, спиртов и т. п.), пыли, а также пыли и газов при общем притоке и местной вытяжке; в) «сверху вверх» — иногда применяют в производственных цехах, например, при совместном выделении теплоты и влаги или лишь влаги; схему используют во вспомогательных производственных зданиях; г) однозональный приток в верхнюю зону и двухзональная вытяжка — целесообразна при поступлении в воздух помещения взрывоопасных веществ с различной плотностью; предотвращается их скопление в верхней зоне. Применима также при выделении газов тяжелее воздуха при отсутствии теплоизбытков; д) двухзональный приток и однозональная вытяжка из верхней зоны — применима в помещениях с тепло- и влаговыделениями или только влаговыделениями при сосредоточенном выпуске пара от технологических установок с температурой жидкости более 40 °С. Воздух подают в верхнюю зону перегретым; е) «снизу вниз» — может применяться при устройстве местной вентиляции. а б в г д е Рис. 5.9. Схемы воздухообмена: а — «снизу вверх»; б — «сверху вниз»; в — «сверху вверх»; г — однозональный приток, двухзональная вытяжка; д — двухзональный приток, однозональная вытяжка; е — «снизу вниз» 55 В общественных, административно-бытовых и производственных зданиях, оборудованных механическими системами вентиляции, в холодный период года следует, как правило, обеспечивать баланс между расходом приточного и вытяжного воздуха. В общественных и административно-бытовых зданиях часть приточного воздуха (в объеме не более 50 % требуемого воздуха для обслуживаемых помещений) допускается подавать в коридоры или смежные помещения. Для «чистых» помещений и помещений с кондиционированием следует предусматривать, как правило, положительный дисбаланс, если в них отсутствуют выделения вредных и взрывоопасных газов, паров и аэрозолей или резко выраженные неприятные запахи. В помещениях жилых, общественных и административно-бытовых зданий приточный воздух следует подавать, как правило, из воздухораспределителей, расположенных в верхней зоне. В производственные помещения приточный воздух следует подавать в рабочую зону из воздухораспределителей: а) горизонтальными струями, выпускаемыми в пределах или выше рабочей зоны, в том числе при вихревой воздухораздаче; б) наклонными (вниз) струями, выпускаемыми на высоте 2 м и более от пола; в) вертикальными струями, выпускаемыми на высоте 4 м и более от пола. В помещениях с выделениями пыли приточный воздух следует, как правило, подавать струями, направленными сверху вниз из воздухораспределителей, расположенных в верхней зоне. Приточный воздух следует подавать на постоянные рабочие места, если они находятся вблизи источников вредных выделений, у которых невозможно устройство местных отсосов. Удаление воздуха из помещений системами вентиляции следует предусматривать из зон, в которых воздух наиболее загрязнен или имеет наиболее высокую температуру или энтальпию. При выделении пыли и аэрозолей удаление воздуха системами общеобменной вентиляции следует предусматривать из нижней зоны. Приемные отверстия для удаления воздуха системами общеобменной вытяжной вентиляции из верхней зоны помещения следует размещать: а) под потолком или покрытием, но не ниже 2 м от пола до низа отверстий для удаления избытков теплоты, влаги и вредных газов; б) не ниже 0,4 м от плоскости потолка или покрытия до верха отверстий для удаления взрывоопасных смесей газов, паров и аэрозолей (кроме смеси водорода с воздухом); в) не ниже 0,1 м от плоскости потолка или покрытия до верха отверстий в помещениях высотой 4 м и менее или не ниже 0,025 высоты помещения (но не более 0,4 м) в помещениях высотой более 4 м для удаления смеси водорода с воздухом. 56 5.4. Балансы вредностей в помещении. Определение требуемых воздухообменов Вентиляционные системы и их производительность выбираются в результате расчета воздухообмена в помещении. Исходными для определения воздухообмена являются величины тепловой, влажностной и газовой нагрузки на систему вентиляции, а определяющим — распределение температуры и концентрации вредностей в объеме помещения. В значительной мере это относится к температуре и концентрации вредностей в уходящем воздухе. Рассчитываемый воздухообмен принято называть по виду вредных выделений, для борьбы с которыми он предназначен. Например: воздухообмен по избыткам явной или полной теплоты, по избыткам влаги, по вредным веществам и т. п. В помещении может иметь место сочетание разных схем вентиляционного процесса. Рассмотрим одну из типовых схем организации воздухообмена, включающую общеобменные вытяжку и приток в верхней зоне и местный отсос из рабочей зоны, представленную на рис. 5.10. Рис. 5.10. К составлению балансовых уравнений воздухообмена в помещении Для определения производительности систем общеобменной вентиляции по заданному виду вредных выделений необходимо решить соответствующую систему из двух уравнений — уравнения теплового баланса и уравнений баланса воздуха в помещении. Баланс по явной теплоте имеет вид: Gп свtп + 3,6Qяизб = Gм.освtр.з + Gуcвt у . (5.1) Уравнение баланса по воздуху Gп = Gм.о + Gу . 57 (5.2) Расход воздуха в местном отсосе Gмо, кг/ч, определяется заранее Gм.о = 3600ρАм.оVм.о , (5.3) где Ам.о — площадь рабочего проема местного отсоса, м2; Vм.о — скорость воздуха в проеме, м/c; зависит от вида местного отсоса и удаляемой вредности в местном отсосе. Совместное решение уравнений (5.1) и (5.2) позволяет определить искомую величину Gу, кг/ч, Gу = 3,6Qяизб − Gм.оcв (tр.з − tп ) св ( tу − tп ) . (5.4) Величина Gп определяется из уравнения (5.2). Аналогично находят величины расхода воздуха из уравнений баланса влаги и полной теплоты. Разница состоит лишь в том, что в уравнение баланса влаги входят соответствующие значения влaгосодержания воздуха d, г/кг, а в уравнение баланса по полной теплоте — соответствующие значения теплосодержания воздуха I, кДж/кг, Gп d п + M w ⋅ 103 = Gм.о dм.о + Gу d у ; (5.5) Gп I п + 3,6Qпизб = Gм.о I м.о + Gу I у . (5.6) В принципе нет надобности в составлении балансов одновременно по явной, полной теплоте и влаге. Результат при расчете воздухообмена должен быть одинаков для всех трех случаев. Расхождения в практических расчетах объясняются лишь их неточностью определения значений I и d по I—dдиаграмме. Поэтому за расчетную величину воздухообмена принимается большая из полученных трех величин. В частном случае, при наличии только общеобменного притока и общеобменной вытяжки, что характерно для основной части помещений в жилых и общественных зданиях, из формул (5.2) и (5.4) получаем: 3,6Qпизб M w ⋅ 103 3,6Qяизб , кг/ч. = = Gп = Gу = d у − dп св ( t у − tп ) I у − I п (5.7) Поскольку вентиляционное оборудование подбирается по объемным расходам воздуха, при плотности воздуха ρ = 1,2 кг/м3, формула (5.7) примет вид: 3,6Qпизб M w ⋅ 103 3,6Qяизб , м3/ч. = Lп = Lу = = 1,2св ( t у − tп ) 1,2( I у − I п ) 1, 2( d у − d п ) (5.8) Расчетную величину воздухообмена в помещении Lр, м3/ч, т. е. расход воздуха для подбора вентиляционного оборудования, выбирают по следующим соображениям: 58 • для вентиляции: если в помещении в теплый период года можно осуществлять требуемый воздухообмен через открытые проемы, то за расчетный воздухообмен принимается большая величина из требуемых воздухообменов в переходный и холодный периоды; если в теплый период невозможно осуществлять естественное проветривание через окна (по технологическим, санитарно-гигиеническим или конструктивным причинам), то расчетный воздухообмен равен большему из требуемых воздухообменов по трем периодам; • для кондиционирования воздуха расчетным является больший из требуемых воздухообменов по двум периодам (холодному и теплому). Наиболее сложным моментом при расчетах воздухообмена является установление взаимосвязи между параметрами уходящего из помещения воздуха и в рабочей зоне. Эта связь обусловлена приточными и конвективными струями, способствующими вовлечению в процесс теплообмена значительной части объема воздуха в помещении, а также теплопередачей излучением между различными зонами помещения. Обычно значения параметров уходящего воздуха принимают на основании экспериментов и с учетом накопленного опыта проектирования вентиляции помещений. Несколько способов определения параметров уходящего воздуха Температуру уходящего воздуха можно определить через температурный градиент по высоте помещения. За основу этого способа положен известный факт повышения температуры под потолком помещения по сравнению с температурой в рабочей зоне. tу = tр.з + (grad t )( H пом − hр.з ) , (5.9) где tу — температура воздуха, удаляемого из верхней зоны помещения, °С; tр.з — расчетная температура в рабочей зоне помещения, °С; grad t — градиент повышения температуры воздуха по высоте помещения, °С/м; Hпом и hр.з — высота помещения и рабочей зоны, м, соответственно. Величина градиента зависит от тепловой напряженности помещения qуд = Qяизб , V (5.10) где Qяизб — избытки явной теплоты, Вт; V — объем помещения, м3. При qуд < 11,5 Вт/м3 grad t < 0,5 °С/м. При qуд = 11,5…23 Вт/м3 grad t = 0,3…1,2 °С/м. При qуд > 23 Вт/м3 grad t = 0,8…1,5 °С/м. Приведенные данные относятся к теплому периоду года. Для холодного периода в помещениях с незначительными теплоизбытками (q < 23 Вт/м3) можно считать grad t = 0 и tу = tр.з. При кондиционировании воздуха в невысоких помещениях (до 4 м) обычно во всех случаях принимают tу = tр.з + 1. 59 Формула расчета температуры уходящего воздуха через температурный градиент корректна, если воздухообмен организован по схеме: приток в рабочую зону, вытяжка из верхней («снизу вверх»). Если используются схемы организации воздухообмена «сверху вниз» или «сверху вверх», то температуру уходящего воздуха можно принимать равной температуре рабочей зоны. Для промышленных предприятий параметры удаляемого воздуха определяются с помощью симплексов температуры, концентрацией вредных веществ и влагосодержания, получивших названия: температурный коэффициент воздухообмена: Kt = t у − tп tр.з − tп ; (5.11) концентрационный коэффициент воздухообмена: Kс = С у − Сп Ср.з − Сп ; (5.12) , (5.13) коэффициент по влагосодержанию: Kd = d у − dп d р.з − d п где t, C, d — соответственно температура, °С, концентрация, мг/м3, и влагосодержание, г/кг; индексы «у», «р.з», «п» — относятся к воздуху: удаляемому, рабочей зоны и приточному. Численные коэффициенты приводятся в справочно-нормативной литературе. Температура в верхней зоне помещения через коэффициент воздухообмена определяется по формуле: t у = tр.з + K t (tр.з − tп ). (5.14) Воздухообмен из условия ассимиляции газовой вредности определяется для каждой i-й вредности по формуле: Li = M вр.i C у − Сп , м3/ч. (5.15) Концентрация вредности в уходящем воздухе принимается равной предельно допустимой концентрации вредного вещества в воздухе рабочей зоны. В свою очередь, концентрация вредности в приточном воздухе не должна превышать 0,3 от ПДК рабочей зоны. При одновременном выделении в рабочую зону помещения нескольких вредностей, не обладающих однонаправленностью токсикологического воздействия на человека, в качестве расчетной величины принимается наибольшая из полученных по формуле (5.15). Вещества однонаправленного 60 действия близки по своему химическому составу. При одновременном поступлении в рабочую зону помещения нескольких подобных веществ расчетный воздухообмен определяется суммированием величин, полученных по формуле (5.2) для каждого вещества. 5.5. Упрощенные способы определения воздухообмена в помещении К упрощенным способам относятся: 1) определение расчетного воздухообмена по кратности; 2) по величине удельных расходов воздуха, отнесенных к человеку; 3) по величине удельных расходов воздуха, отнесенных к единице оборудования; 4) по величине удельных расходов воздуха, отнесенных к квадратному метру площади пола; 5) нормирование воздухообмена конкретным значением для помещений определенного назначения. В помещениях вспомогательного назначения воздухообмен принято рассчитывать по кратности. Кратность воздухообмена n показывает, сколько раз в течение часа вентиляционный воздух заменяет воздух в объеме помещения: (5.16) n = L /V , 3 3 где L — расход приточного воздуха, м /ч; V — объем помещения, м . Кратность принимается со знаком «плюс», что означает приток воздуха, и со знаком «минус» — для вытяжки. Расчетный воздухообмен в помещении в этом случае составляет L = nV . (5.17) Нормативные значения n для помещений различного назначения приводятся в соответствующих нормативных документах. Расчетный воздухообмен по удельным нормируемым расходам определяется по формулам: L = Аk ; (5.18) L = Nm, где А — площадь пола помещения, м2; k — нормируемый расход приточного воздуха на 1 м2 пола, м3/(м2·ч); N — число людей, единиц оборудования; m — нормируемый расход приточного воздуха на одного человека, м3/ч, или единицу оборудования. Одним из важных показателей воздухообмена в помещении служит санитарная норма, т. е. минимально допустимое количество наружного воздуха, которое необходимо подавать в помещение. Санитарная норма Lо устанавливается для одного человека и равна при постоянном пребывании в помещении 60 м3/ч и при временном (менее 2 ч) пребывании — 20 м3/ч, при повышенных физических нагрузках — 80 м3/ч. 61 6. ПРОЦЕССЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА ПОМЕЩЕНИЯ 6.1. Процессы изменения состояния влажного воздуха при вентиляции помещения (прямоточная схема) Построение процессов изменения состояния воздуха в помещении при оборудовании систем вентиляции или кондиционирования необходимо для решения вопроса о возможности того или иного способа обработки воздуха и для определения затрат теплоты, холода и влаги в ходе такой обработки. Условные обозначения основных точек на I—d­диаграмме: Н — состояние наружного воздуха; В — состояние внутреннего воздуха в обслуживаемой (рабочей) зоне помещения; П и У — состояние соответственно приточного и удаляемого (вытяжного) воздуха; К — состояние воздуха после воздухонaгpевателя; О — состояние воздуха после воздухоохладителя или секции увлажнения (в зависимости от процесса); εпом — угловой коэффициент луча процесса изменения состояния воздуха в помещении, кДж/кг, ε = 3,6Qизб.п / M w . (6.1) Исходные данные для расчета: Qяизб — избытки явной теплоты в помещении для соответствующего периода года, Вт, определяемые по результатам вычисления теплопотерь и теплопоступлений по уравнению теплового баланса; Mw — влаговыделения в помещении, кг/ч. Параметры точки Н и температура tв точки В (в режиме вен­ тиляции). В режиме кондиционирования воздуха для точки В заранее принимается tв и относительная влажность φв. В условиях вентиляции построение в любом случае начинается от точки Н, которая наносится на диаграмму в соответствии с параметрами состояния наружного воздуха для соответствующего периода года. Затем находится точка П на линии dн = const при температуре tп. Из точки П проводим луч с угловым коэффициентом εпом, рассчитанным также для соответствующего периода, и на пересечении этого луча с изотермой tв будет располагаться точка В. По построению определяется фактическое значение φв для этой точки и проверяется ее соответствие допустимому диапазону. Затем на пересечении того же луча с изотермой tу находят точку У. 62 Теплый период года. Точка Н наносится на I—d-диаграмму в соответствии с параметрами А. Специальная обработка наружного воздуха в режиме вентиляции не предусматривается, осуществляется только его подача вентилятором, в котором происходит некоторый подогрев, поэтому принимаем tп = tнА + (0,5...1) °С. Величина tв обычно принимается равной tнА + 3 °С, но не выше +28 °С (рис. 6.1). Рис. 6.1. Схема процесса изменения состояния воздуха при вентиляции помещения в ТП Воздухообмен в помещении, т. е. расход приточного воздуха и равный ему расход вытяжного (при схеме организации воздухообмена «один приток—одна вытяжка»), вычисляется по формуле: ТП я L 3,6Qяизб , м3/ч. = 1, 2св ( t у − tп ) (6.2) Температуру уходящего воздуха при этом можно определить по выражению (5.9) tу = tр.з + (grad t )( H пом − hр.з ). Получаемое по построению значение φв не должно превышать 65 %. Процесс для переходного периода строится аналогично, только параметры точки Н принимаются следующие: tн = +10 °С, Iн = 26,5 Дж/кг. Холодный период года. НК — нагрев наружного воздуха в поверхностном воздухонагревателе (калорифере). Принимаем температуру tк на 0,5...1 °С ниже, чем требуемая температура притока tп, для учета последующего догрева воздуха в вентиляторе (рис. 6.2). 63 Величина температуры приточного воздуха tп может быть вычислена, исходя из рассчитанного для переходного периода воздухообмена и величины Qизб.я в холодный период: ХП 3,6Qизб.я ХП ХП tп = tу − . (6.3) 1,2св ⋅ LПП р Рис. 6.2. Схема процесса изменения состояния воздуха при вентиляции помещения в ХП В дальнейшем значение tпХП может быть уточнено с последующим пересчетом воздухообмена по результатам проверки параметров приточной струи на входе ее в обслуживаемую зону помещения. 6.2. Процессы изменения состояния воздуха при его кондиционировании (прямоточная схема) В отличие от обычной вентиляции при построении процессов изменения состояния воздуха при его кондиционировании для точки В задается значение не только tв, но и относительной влажности φв. Это позволяет изначально нанести данную точку на I—d-диаграмму и через нее провести луч процесса изменения состояния воздуха в помещении с угловым коэффициентом εпом для соответствующего периода года. Затем на пересечении этого луча с изотермой tу размещаем точку У. Положение точки П на луче процесса может определяться по-разному для каждого отдельного варианта. Положение точки Н задается по параметрам Б в холодный период, а в теплый — в зависимости от класса кондиционирования, но, как правило, тоже по параметрам Б. 64 Теплый период года Сухое охлаждение наружного воздуха в поверхностном воздухоохлади­ теле (рис. 6.3) Процесс можно использовать, если dн < dв. В этом случае проводят линию dн = const из точки Н вертикально вниз до пересечения с лучом процесса изменения состояния воздуха в помещении, находят точку состояния приточного воздуха П и определяют ее температуру tп. Убеждаются, что разность (tв – tп) не превышает 6...8 °С, в противном случае нужно уменьшить величину φв, оставаясь в пределах ее оптимального диапазона. Если разность (tв – tп) слишком мала (меньше 2...3 °С), необходимо перейти к варианту охлаждения наружного воздуха в поверхностном воздухоохладителе с осушкой. Реальный процесс в воздухоохладителе идет от Н до точки О с температурой на 0,5...1 °С ниже tп с учетом последующего подогрева воздуха в вентиляторе. Рис. 6.3. Схема процесса изменения состояния воздуха в теплый период при сухом охлаждении наружного воздуха в поверхностном воздухоохладителе Как и при обычной вентиляции, требуемый воздухообмен, м3/ч, вычисляется по формуле 3,6Qяизб LТП = . я 1, 2св ( t у − tп ) Значение tу можно принять, как и ранее, через grad t, но при кондиционировании воздуха обычно этим пользуются только для высоких помещений (выше 4 м), а в остальных случаях считают tу = tв + 1. Охлаждение наружного воздуха в поверхностном воздухоохладителе с осушкой (рис. 6.4). В этом случае можно изначально принять tп = tв – (6...8 °С). Процесс можно использовать, если dн > dв, но по построению получается, что продолжение отрезка НП' пересекает кривую φ = 100 % при температуре 65 tw не ниже +7 °С — стандартной температуры воды, охлажденной в холодильной установке, поскольку процесс охлаждения с осушкой стремится к точке на кривой φ = 100 % с температурой поверхности охлаждения, практически равной величине tw. Точка П' имеет температуру на 0,5…1 °С ниже tп с учетом последующего подогрева воздуха в вентиляторе. Если относительная влажность в точке П' ниже 90 %, реальный процесс в воздухоохладителе идет до точки О, тогда точка П' получается как результат смешения охлажденного воздуха с параметрами О и наружного с параметрами Н. В этом случае используется воздухоохладитель с обводным каналом (байпасом). Охлаждение наружного воздуха в поверхностном воздухоохладителе с осушкой НО и последующий вторичный подогрев в воздухонагревателе второй ступени ОП' (рис. 6.5). Процесс можно использовать, если dн > dв, но по построению получается, что продолжение отрезка НО вообще не пересекает кривую φ = 100 % или пересекает, но при температуре tw ниже +7 °С. Здесь также можно изначально принять tп = tв – (6...8 °С). Тогда из точки П проводят вертикально вниз линию dп = const до пересечения с кривой φ = 90…95 %, находят точку О и затем соединяют ее с точкой Н. В этой схеме обводной канал у воздухоохладителя не используется, поэтому процесс НО заканчивается при максимально возможной φ = 90…95 %. Рис. 6.4. Схема процесса изменения состояния воздуха в теплый период при охлаждении наружного воздуха в поверхностном воздухоохладителе с осушкой Рис. 6.5. Схема пpoцесса изменения состояния воздуха в теплый период с осушкой наружного воздуха в поверхностном воздухоохладителе с последующим подогревом в воздухонагревателе второй ступени 66 Холодный период года Нагрев наружного воздуха в воздухонагревателе l­й ступени Н­К и по­ следующее адиабатное увлажнение с охлаждением К­П' в форсуночной ка­ мере или сотовом увлажнителе (рис. 6.6). Процесс может быть использован, если по построению в теплый период не требуется вторичный подогрев. Рис. 6.6. Схема пpoцесса изменения состояния воздуха в холодный период с нагревом в 1-й ступени и адиабатным увлажнением и охлаждением в форсуночной камере Процесс строится следующим образом: 1. Вычисляют требуемую температуру притока по формуле: ХП 3,6Qизб.я tп = t у − . 1, 2св ⋅ Lв ХП Величина Lв здесь принимается из расчета в теплый период, а Qизб.я для холодного периода (как и при обычной вентиляции). Если оказывается, что (tв – tп) > (6...8 °С), принимают tп = tв – (6...8 °С) и вычисляют новое значение воздухообмена: 3,6Qяизб Lя = , 1, 2св ( t у − tп ) где все параметры берутся для холодного периода (результат будет выше, чем было получено ранее), после чего уточняют расчеты для теплого периода. 2. Размещают на пересечении луча процесса в помещении и изотермы tп точку П и отмечают точку П' из условия tп' = tп – (0,5...1 °С) для учета догрева воздуха в вентиляторе. 67 3. Проводят через точку П' линию Iп' = const, на пересечении ее с линией dн = const, показывают точку К и находят по построению ее температуру tК. Определенным недостатком данной схемы считается необходимость перегрева воздуха в воздухонагревателе для компенсации последующего охлаждения, которое обязательно происходит при адиабатном увлажнении по построению tК > tп. Другие более сложные случаи изменения тепловлажностного состояния воздуха в процессе его обработки при кондиционировании рассматриваются в курсе «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение зданий». 68 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Богословский В. Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) : учебник для вузов. 3-е изд. С-Пб., 2006. 400 с. 2. Каменев Л. Н., Тертичник Е. И. Вентиляция : учебник. М. : АСВ, 2006. 615 с. 3. Кувшинов Ю. Я. Теоретические основы обеспечения микроклимата помещения : монография. М. : АСВ, 2007. 184 с. 4. Малявина Е. Г. Теплопотери здания : справочное пособие. М. : АВОК-ПРЕСС, 2007. 144 с. 5. Сканави А. Н., Махов Л. М. Отопление : учебник. М. : АСВ, 2006. 576 с. 6. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 1 / под ред. Н. Н. Павлова, Ю. И. Шиллера. М : Стройиздат, 1992. 320 с. 69 Учебное электронное издание Коврина Ольга Евгеньевна ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА ЗДАНИЙ Учебное пособие Заместитель заведующего РИО М. Л. Манзюк Корректор О. А. Шипунова Верстка А. Г. Сиволобова Минимальные систем. требования: РС 486 DX-33; Microsoft Windows XP; 2-скоростной дисковод DVD-ROM; Adobe Reader 6.0 Тираж 30 экз. Подписано в свет 22.03.2018. Гарнитура «Таймс». Уч.-изд. л. 4,0. Объем данных 1,5 Мбайт Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный технический университет» 400005, г. Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28, корп. 1
