Вид РИД
Изобретение
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=7,83-0,1tB-0,0968tO-0,0372Р+0,18v(37,8-tB),
где tB - температура воздуха в рабочей зоне производственного помещения; tO - температура окружающих поверхностей в рабочей зоне; v - скорость движения воздуха, м/с;
Р - парциальное давление водяных паров, рассчитываемое по формуле:
Р=0,01ϕ×Рнас, мм рт.ст.,
где ϕ - относительная влажность воздуха, %; Рнас - 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=(qн-qф)/qн,
где qн - количество тепловой энергии, которое необходимо удалить с поверхности тела человека для обеспечения его комфортного теплового состояния при заданном типе выполняемой в помещении работы, qф - количество теплоты, фактически удаляемое с поверхности тела человека (Вт/м2).
Рассчитывают значение асимметрии радиационного излучения по формуле:
Δta=tp,max-tp,min,
где tp,max - максимальная температура окружающих поверхностей помещения, °С;
tp,min - минимальная температура окружающих поверхностей помещения, °С;
Определяют значение коэффициента радиационного охлаждения k2:
при tв-tp,min>2 вычисляют по формуле: k2=(qн-qл,т)/qн, где qл,т - лучистый тепловой поток, уходящий с поверхности тела человека на самую холодную окружающую поверхность помещения, tв - температура воздуха в помещении, °С,
при tв-tp,min≤2 принимают k2=1.
Определяют значение коэффициента асимметрии радиационных потоков k3:
при Δta>3,9+1,8 R0, где R0 - сопротивление теплопроводности преимущественного типа одежды людей в помещении, кло
вычисляют по формуле: k3=1-0,01(0,17Δta2+0,72Δta-2,12),
при Δta≤3,9+1,8 R0 принимают k3=1.
Рассчитывают избыточную концентрацию С диоксида углерода в помещении по формуле: С=Сп-Со,
где Сп - концентрации двуокиси углерода в воздухе помещения, ppm; Сo - 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 - qмт, 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 tв, °С; относительной влажности воздуха ϕ, %; температуры поверхности одежды человека tо, °С; подвижности воздуха - ν, м/с; температуры окружающих поверхностей tp,i, °С, в трех точках, удаленных друг от друга более чем на 0,5 м; концентрации двуокиси углерода (СО2) в воздухе обследуемого помещения Сп, см3/м3 (ppm) и концентрации двуокиси углерода (СО2) в наружном воздухе - Сo, 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 tp,max и минимальную tp,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:
qн=qтп-qдп-qип-qдс-qдя,
где qтп - внутренняя теплопродукция тела человека, Вт/м2;
qдп - теплопотери через кожу за счет диффузии паров, Вт/м2;
qип - теплопотери с поверхности кожи при испарении влаги, Вт/м2;
qдс - скрытые теплопотери при дыхании, Вт/м2;
qдя - явные теплопотери при дыхании, Вт/м2.
Внутреннюю теплопродукцию тела человека рассчитывают как
qтп=qмт(1-η),
где qмт - 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 qдп вычисляют по формуле:
qдп=0,41(1,92tк-25,3-рв),
где tк - температуры кожи человека;
tк=35,7-0,032⋅qтп=35,7-0,032⋅qмт(1-η);
рв - парциальное давление водяных паров во влажном воздухе, мм рт.ст.:
Количество теплоты, затрачиваемое на испарение жидкости с поверхности тела человека, рассчитывают по выражению:
qип=0,49(qтп-50)=0,49(qМТ(1-η)-50).
Скрытую теплоту, выделяемую в процессе дыхания, рассчитывают по формуле:
qдс=0,0027qмт(44-рв).
Явную теплоту, выделяемую в процессе дыхания, рассчитывают по формуле:
qдя=0,0014qмт(34-tв).
Тепловой поток, фактически удаляемый с поверхности тела человека конвекцией и излучением, вычисляют как:
qф=qл+qк,
где qл - потери теплоты с поверхности одежды и непокрытой одеждой поверхности тела человека за счет излучения, Вт/м2;
qк - 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:
qл=3,629⋅10-8⋅[(tо+273)4-((tp,о+273)4],
где tp,о - средняя радиационная температура помещения, которую для приближенных расчетов принимают на 2°С ниже температуры воздуха:
tр,о=tв-2.
Рассчитывают конвективный тепловой поток, уходящий с поверхности тела человека:
- в неподвижном воздухе (v=0 м/с):
qк=2,4(tо-tв)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:
qл,т=0,605⋅10-8[(to+273)4-((tp,min+273)4].
Коэффициент радиационного охлаждения k2:
- при tв-tp,min≤2:
k2=1;
- при tв-tр,min>2:
Рассчитывают влияние на уровень комфортности асимметрии радиационного излучения. Для этого вычисляют значение асимметрии радиационного излучения по формуле:
Δta=tp,max-tp,min.
Коэффициент асимметрии радиационных потоков k3:
- при Δta≤3,9+1,8R0:
k3=1;
-при Δta>3,9+1,8R0:
Далее определяют влияние на уровень комфортности качества воздушной среды. С этой целью рассчитывают избыточную концентрации СО2 в помещении:
С=Сп-Со.
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, - qмт=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 - Ro=0,5 кло.
Экспериментальные значения параметров микроклимата определяем при помощи многофункционального измерительного прибора testo-435-1:
температура воздуха в помещении tв,=24°С;
относительная влажность воздуха в помещении ϕ=15%;
подвижность воздуха в помещении ν=0,05 м/с;
средняя температура поверхности одежды учащихся to=29°С;
минимальная температура окружающих поверхностей tp,min=14°С,
максимальная температура окружающих поверхностей tp,max;=20°С;
концентрация диоксида углерода в воздухе помещения Сп=350 ppm;
концентрация диоксида углерода в наружном воздухе Со=30 ppm.
Внутренняя теплопродукция тела человека:
qтп=qмт(1-η)=93⋅(1-0)=93 Вт/м2.
Температура кожного покрова человека:
tк=35,7-0,032⋅qтп=35,7-0,032⋅qмт(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:
qдп=0,41(1,92tк-25,3-рв)=0,41(1,92⋅32,7-25,3-27,09)=4,26 Вт/м2.
Количество теплоты, затрачиваемое на испарение жидкости с поверхности тела:
qип=0,49(qтп-50)=0,49(qмт(1-η)-50)=0,49(93-50)=21,07 Вт/м2.
Скрытая теплота, выделяемая в процессе дыхания:
qдс=0,0027qмт(44-рв)=0,0027⋅93(44-27,09)=4,25 Вт/м2.
Явная теплота, выделяемая в процессе дыхания:
qдя=0,0014qмт(34-tв)=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:
qн=qтп-qдп-qип-qдс-qдя=93-4,26-21,07-4,25-1,302=62,12 Вт/м2.
Тепловой поток, уходящий с поверхности одежды человека за счет излучения:
qл=3,629⋅10-8⋅[(to+273)4-(tp,o+273)4]=3,629⋅10-8⋅[(29+273)4-(22+273)4]=33,78 Вт/м2;
где средняя радиационная температура помещения:
tp,o=tв-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:
qф=qл+qк=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:
qл,т=0,605⋅10-8⋅[(to+273)4-((tp,min+273)4]=0,605⋅10-8⋅[(29+273)4-(14+273)4]=9,46.
tв-tp,min=24-14=10°C.
Коэффициент радиационного охлаждения при tв-tp,min>2:
Асимметрия радиационного излучения Δta:
Δta=tp,min-tp,min=20-14=6°C.
3,9+1,8R0=3,9+1,8⋅0,5=4,8.
Коэффициент асимметрии радиационного излучения при Δta>3,9+1,8R0:
Рассчитываем избыточную концентрацию СО2 в помещении:
С=Сп-Со=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».