Результат интеллектуальной деятельности: Способ оценки комфортности микроклимата в помещениях жилых, общественных и административных зданий

Изобретение относится к системам контроля эффективности работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования жилых, общественных и административных зданий и может быть использовано при проектировании, реконструкции и оптимизации режимов работы указанных систем, а также при разработке и внедрении энергосберегающих мероприятий.

Широко известны способы определения комфортности микроклимата, включающие измерения и оценки отдельных его составляющих: температуры, подвижности, относительной влажности воздуха помещений, а также характеристик теплового излучения. Примером может служить ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», а также СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений».

Существенным недостатком данных способов является пренебрежение качеством воздуха, а также взаимным влиянием факторов микроклимата друг на друга и на организм человека.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ оценки комфортности рабочей зоны по параметрам микроклимата (патент на изобретение RU №2509322, МПК G01W 1/02, 2012 г.), принятый за прототип. Указанный способ заключается том, что сначала осуществляют замер температуры воздуха по психрометру, затем замеряют влажность воздуха по стационарному психрометру и определяют скорость движения воздуха по анемометрам, затем на основании полученных параметров - температуры воздуха в рабочей зоне, его влажности и скорости движения, а также температуры окружающих поверхностей в рабочей зоне - рассчитывают степень комфортности по следующей формуле:

S=7,83-0,1t_B-0,0968t_O-0,0372Р+0,18v(37,8-t_B),

где t_B - температура воздуха в рабочей зоне производственного помещения; t_O - температура окружающих поверхностей в рабочей зоне; v - скорость движения воздуха, м/с;

Р - парциальное давление водяных паров, рассчитываемое по формуле:

Р=0,01ϕ×Р_нас, мм рт.ст.,

где ϕ - относительная влажность воздуха, %; Р_нас - парциальное давление водяного пара в насыщенном состоянии, после чего оценивают комфортность параметров микроклимата по следующей шкале: 1 - очень жарко; 2 - слишком тепло; 3 - тепло, но приятно; 4 - чувство комфорта; 5 - прохладно, но приятно; 6 - холодно; 7 - очень холодно; отличающийся тем, что при этом осуществляют замеры: температуры воздуха и его влажности по стационарному психрометру типа ВИТ-2, скорости движения воздуха по цифровому анемометру ATE-1034, а температуры окружающих поверхностей в рабочей зоне - с помощью контактного термометра с погружаемым зондом типа ТК5.01М.

Недостатком указанного решения является применимость исключительно к помещениям производственного назначения и отсутствие учета взаимного влияния параметров друг на друга и на комфортность микроклимата.

Технический результат заключается в повышении точности определения уровня комфортности помещений жилых, общественных и административных зданий за счет расширения спектра параметров, учитываемых при оценке уровня комфортности микроклимата, а также анализа вредностей, характерных только для помещений жилых, общественных и административных зданий.

Технический результат достигается тем, что в способе оценки комфортности микроклимата в помещениях жилых, общественных и административных зданий, заключающемся в измерении в помещении температуры воздуха, относительной влажности, подвижности воздуха, температуры окружающих поверхностей, предварительно определяют преимущественный тип и характеристики выполняемой работы, а также сопротивление теплопроводности преимущественного типа одежды людей, дополнительно измеряют температуру поверхности одежды человека, концентрацию диоксида углерода в воздухе обследуемого помещения и в наружном воздухе, вычисляют составляющие уравнения теплового баланса человека, рассчитывают коэффициент комфортности теплового состояния человека k₁ по формуле: k₁=(q_н-q_ф)/q_н,

где q_н - количество тепловой энергии, которое необходимо удалить с поверхности тела человека для обеспечения его комфортного теплового состояния при заданном типе выполняемой в помещении работы, q_ф - количество теплоты, фактически удаляемое с поверхности тела человека (Вт/м²).

Рассчитывают значение асимметрии радиационного излучения по формуле:

Δt_a=t_p,max-t_p,min,

где t_p,max - максимальная температура окружающих поверхностей помещения, °С;

t_p,min - минимальная температура окружающих поверхностей помещения, °С;

Определяют значение коэффициента радиационного охлаждения k₂:

при t_в-t_p,min>2 вычисляют по формуле: k₂=(q_н-q_л,т)/q_н, где q_л,т - лучистый тепловой поток, уходящий с поверхности тела человека на самую холодную окружающую поверхность помещения, t_в - температура воздуха в помещении, °С,

при t_в-t_p,min≤2 принимают k₂=1.

Определяют значение коэффициента асимметрии радиационных потоков k₃:

при Δt_a>3,9+1,8 R₀, где R₀ - сопротивление теплопроводности преимущественного типа одежды людей в помещении, кло

вычисляют по формуле: k₃=1-0,01(0,17Δt_a²+0,72Δt_a-2,12),

при Δt_a≤3,9+1,8 R₀ принимают k₃=1.

Рассчитывают избыточную концентрацию С диоксида углерода в помещении по формуле: С=С_п-С_о,

где С_п - концентрации двуокиси углерода в воздухе помещения, ppm; С_o - концентрации двуокиси углерода в наружном воздухе, ppm.

Определяют значение коэффициента качества воздушной среды k₄:

при С>400 вычисляют по формуле: k₄=-0,00045С+1,18,

при С≤400 принимают k₄=1.

Вычисляют уровень комфортности микроклимата по формуле:

W=k₁⋅k₂⋅k₃⋅k₄,

и оценивают уровень комфортности микроклимата по следующей шкале:

Способ реализуется следующим образом.

Сначала определяют преимущественный тип и характеристики работ, выполняемых в обследуемом помещении (метаболистическую теплоту, отнесенную к 1 м² поверхности тела человека - q_мт, Вт/м²; коэффициент полезного действия механической работы - η; относительную скорость движения в неподвижном воздухе - v₀, м/с).

Определяют сопротивление теплопроводности R₀, кло, преимущественного типа одежды людей в помещении.

Проводят измерения температуры воздуха t_в, °С; относительной влажности воздуха ϕ, %; температуры поверхности одежды человека t_о, °С; подвижности воздуха - ν, м/с; температуры окружающих поверхностей t_p,i, °С, в трех точках, удаленных друг от друга более чем на 0,5 м; концентрации двуокиси углерода (СО₂) в воздухе обследуемого помещения С_п, см³/м³ (ppm) и концентрации двуокиси углерода (СО₂) в наружном воздухе - С_o, см³/м³ (ppm). Измерения проводятся, например, многофункциональным измерительным прибором testo-435-1 либо иными сертифицированными измерительными средствами, внесенными в Государственный реестр средств измерений. Выбирают максимальную t_p,max и минимальную t_p,min температуры окружающих поверхностей помещения.

Вычисляют составляющие уравнения теплового баланса человека.

Тепловой поток, который необходимо удалять излучением и конвекцией с поверхности тела человека для обеспечения его комфортного теплового состояния, рассчитывают по формуле:

q_н=q_тп-q_дп-q_ип-q_дс-q_дя,

где q_тп - внутренняя теплопродукция тела человека, Вт/м²;

q_дп - теплопотери через кожу за счет диффузии паров, Вт/м²;

q_ип - теплопотери с поверхности кожи при испарении влаги, Вт/м²;

q_дс - скрытые теплопотери при дыхании, Вт/м²;

q_дя - явные теплопотери при дыхании, Вт/м².

Внутреннюю теплопродукцию тела человека рассчитывают как

q_тп=q_мт(1-η),

где q_мт - метаболистическая теплота (энергия процесса окисления, происходящего в теле человека), отнесенная к единице поверхности тела человека, Вт/м²;

η - коэффициент полезного действия механической работы.

Теплопотери через кожу человека за счет процесса диффузии паров q_дп вычисляют по формуле:

q_дп=0,41(1,92t_к-25,3-р_в),

где t_к - температуры кожи человека;

t_к=35,7-0,032⋅q_тп=35,7-0,032⋅q_мт(1-η);

р_в - парциальное давление водяных паров во влажном воздухе, мм рт.ст.:

Количество теплоты, затрачиваемое на испарение жидкости с поверхности тела человека, рассчитывают по выражению:

q_ип=0,49(q_тп-50)=0,49(q_МТ(1-η)-50).

Скрытую теплоту, выделяемую в процессе дыхания, рассчитывают по формуле:

q_дс=0,0027q_мт(44-р_в).

Явную теплоту, выделяемую в процессе дыхания, рассчитывают по формуле:

q_дя=0,0014q_мт(34-t_в).

Тепловой поток, фактически удаляемый с поверхности тела человека конвекцией и излучением, вычисляют как:

q_ф=q_л+q_к,

где q_л - потери теплоты с поверхности одежды и непокрытой одеждой поверхности тела человека за счет излучения, Вт/м²;

q_к - потери теплоты с поверхности одежды и непокрытой одеждой поверхности тела человека за счет конвекции, Вт/м².

Тепловой поток, уходящий с поверхности одежды человека за счет излучения, рассчитывают по формуле:

q_л=3,629⋅10^-8⋅[(t_о+273)⁴-((t_p,о+273)⁴],

где t_p,о - средняя радиационная температура помещения, которую для приближенных расчетов принимают на 2°С ниже температуры воздуха:

t_р,о=t_в-2.

Рассчитывают конвективный тепловой поток, уходящий с поверхности тела человека:

- в неподвижном воздухе (v=0 м/с):

q_к=2,4(t_о-t_в)^1,25;

- при вынужденной конвекции и 0,1<ν<2,6 м/с:

Вычисляют коэффициент комфортности теплового состояния человека k₁:

Далее учитывают влияния на уровень комфортности радиационного охлаждения. Для этого вычисляют лучистый тепловой поток, уходящий с поверхности тела человека на самую холодную поверхность помещения:

q_л,т=0,605⋅10^-8[(t_o+273)⁴-((t_p,min+273)⁴].

Коэффициент радиационного охлаждения k₂:

- при t_в-t_p,min≤2:

k₂=1;

- при t_в-t_р,min>2:

Рассчитывают влияние на уровень комфортности асимметрии радиационного излучения. Для этого вычисляют значение асимметрии радиационного излучения по формуле:

Δt_a=t_p,max-t_p,min.

Коэффициент асимметрии радиационных потоков k₃:

- при Δt_a≤3,9+1,8R₀:

k₃=1;

-при Δt_a>3,9+1,8R₀:

Далее определяют влияние на уровень комфортности качества воздушной среды. С этой целью рассчитывают избыточную концентрации СО₂ в помещении:

С=С_п-С_о.

И определяют коэффициент качества воздушной среды k₄:

- при С<400:

k₄=1;

- при C>400:

k₄=-0,00045⋅С+1,18.

Затем вычисляют уровень комфортности микроклимата по формуле

W=k₁⋅k₂⋅k₃⋅k₄.

Соответствующую уровню степень комфортности определяют по шкале.

Пример реализации предложенного способа

Требуется определить уровень комфортности в помещении учебной лаборатории, если:

метаболистическая теплота, характерная для данного типа работ, - q_мт=93 Вт/м², КПД механической работы - η=0; относительная скорость в неподвижном воздухе - v₀=0 м/с. Присутствующие в помещении учащиеся одеты в легкие брюки и рубашки с коротким рукавом, ориентировочное сопротивление теплопередаче одежды - R_o=0,5 кло.

Экспериментальные значения параметров микроклимата определяем при помощи многофункционального измерительного прибора testo-435-1:

температура воздуха в помещении t_в,=24°С;

относительная влажность воздуха в помещении ϕ=15%;

подвижность воздуха в помещении ν=0,05 м/с;

средняя температура поверхности одежды учащихся t_o=29°С;

минимальная температура окружающих поверхностей t_p,min=14°С,

максимальная температура окружающих поверхностей t_p,max;=20°С;

концентрация диоксида углерода в воздухе помещения С_п=350 ppm;

концентрация диоксида углерода в наружном воздухе С_о=30 ppm.

Внутренняя теплопродукция тела человека:

q_тп=q_мт(1-η)=93⋅(1-0)=93 Вт/м².

Температура кожного покрова человека:

t_к=35,7-0,032⋅q_тп=35,7-0,032⋅q_мт(1-η)=35,7-0,032⋅93=32,7°С.

Парциальное давление водяных паров во влажном воздухе:

Потери теплоты через кожу человека за счет диффузии паров:

q_дп=0,41(1,92t_к-25,3-р_в)=0,41(1,92⋅32,7-25,3-27,09)=4,26 Вт/м².

Количество теплоты, затрачиваемое на испарение жидкости с поверхности тела:

q_ип=0,49(q_тп-50)=0,49(q_мт(1-η)-50)=0,49(93-50)=21,07 Вт/м².

Скрытая теплота, выделяемая в процессе дыхания:

q_дс=0,0027q_мт(44-р_в)=0,0027⋅93(44-27,09)=4,25 Вт/м².

Явная теплота, выделяемая в процессе дыхания:

q_дя=0,0014q_мт(34-t_в)=0,0014⋅93(34-24)=1,302 Вт/м².

Тепловой поток, который необходимо удалять излучением и конвекцией с поверхности тела человека для обеспечения его комфортного теплового состояния:

q_н=q_тп-q_дп-q_ип-q_дс-q_дя=93-4,26-21,07-4,25-1,302=62,12 Вт/м².

Тепловой поток, уходящий с поверхности одежды человека за счет излучения:

q_л=3,629⋅10^-8⋅[(t_o+273)⁴-(t_p,o+273)⁴]=3,629⋅10^-8⋅[(29+273)⁴-(22+273)⁴]=33,78 Вт/м²;

где средняя радиационная температура помещения:

t_p,o=t_в-2=24-2=22°С.

Конвективный тепловой поток, уходящий с поверхности тела человека за счет конвекции:

Тепловой поток, удаляемый фактически с поверхности человеческого тела посредствам конвекции и теплового излучения:

q_ф=q_л+q_к=33,78+13,53=47,31 Вт/м².

Показатель комфортности теплового состояния человека k₁:

Лучистый тепловой поток, уходящий с поверхности тела человека на самую холодную поверхность помещения:

q_л,т=0,605⋅10^-8⋅[(t_o+273)⁴-((t_p,min+273)⁴]=0,605⋅10^-8⋅[(29+273)⁴-(14+273)⁴]=9,46.

t_в-t_p,min=24-14=10°C.

Коэффициент радиационного охлаждения при t_в-t_p,min>2:

Асимметрия радиационного излучения Δt_a:

Δt_a=t_p,min-t_p,min=20-14=6°C.

3,9+1,8R₀=3,9+1,8⋅0,5=4,8.

Коэффициент асимметрии радиационного излучения при Δt_a>3,9+1,8R₀:

Рассчитываем избыточную концентрацию СО₂ в помещении:

С=С_п-С_о=350-30=320 ppm.

При С<400 k₄=1.

Вычисляем уровень комфортности микроклимата по формуле:

W=k₁⋅k₂⋅k₃⋅k₄=0,24⋅0,85⋅0,92⋅1=0,19.

Делаем вывод об уровне комфортности, по шкале уровень комфортности, равный W=0,19, соответствует состоянию человека «тепло, но комфортно».