Термодинамические основы процессов вентиляции и кондиционирования воздуха 7 страница

История комплексного подхода к нормированию метеорологических параметров начинается с И. И. Флавицкого, который ещё в 1884 г. указывал на важность такого подхода и предложил соответствующие принципы нормирования. В дальнейшем большой вклад в разработку практических методов комплексного нормирования метеорологических параметров воздушной среды внесли американские специалисты.

Однако до 50-х годов XIX века в большинстве зданий микроклимат поддерживался в основном с помощью систем отопления, и в принципе речь могла идти о нормировании лишь температуры. Массивные ограждающие конструкции, характерные для того периода, сравнительно небольшие площади окон давали возможность поддерживать тепловой режим помещений даже при резких колебаниях температуры наружного воздуха.

Соляция, как таковая, принималась в расчет только косвенно - через ориентацию зданий. Характерной особенностью того периода являлось и то, что в решении задач обеспечения требуемого микроклимата архитекторы практически не принимали активного участия.

С внедрением в строительство облегченных конструкций, увеличением площади остекления, применением новых архитектурных решений возникло несоответствие с традиционными приемами нормирования микроклимата и реальностью.

Создание к настоящему времени специальных микроклиматических камер, оснащенных весьма совершенными средствами контроля самочувствия людей и метеорологических параметров воздушной среды, позволило разработать достаточно совершенную систему комплексного нормирования этих параметров. Наиболее совершенные методы расчета условий теплового комфорта разработаны П. О. Фангером (Датский технический университет), Р. Г. Невинсом (Канзасский университет, США), Л. В. Павлухиным, В. Н. Тетеревниковым (лаборатория кондиционирования воздуха, ВНИИОТ ВЦСПС, Ленинград). Сюда же можно отнести работы венгерского специалиста Л. Банхиди.

Одним из приемов комплексного подхода к нормированию микроклимата является использование представления о так называемой эквивалентно - эффективной температуре (ЭЭТ), учитывающей совместное воздействие температуры, относительной влажности и подвижности воздуха и соответствующее такому представлению графика, построенного по данным натурных исследований (рис. 67).

Рис. 67

Можно дать определение (ЭЭТ). Под нею понимают все комбинации температуры, относительно влажности и скорости движения воздуха, вызывающие одинаковые тепловые ощущения у человека, причем такие, которые возникают в неподвижном воздухе, полностью насыщенном водяным паром при температуре, численно равной (ЭЭТ).

Пользоваться графиком (ЭЭТ) просто. Если известно нормативное значение (ЭЭТ), достаточно провести на график через точку, соответствующую этому значению, прямую линию до пересечения со шкалами t и , предварительно выбрать скорость, соответствующую назначению помещения и характеру выполняемой в нем работы.

Так, например, для ЭЭТ=26,6 °С и скорости, равной нулю – t = 30°С, а t = 24°С (рис. 67). Те же температуры соответствуют ЭЭТ = 25°С, но уже при скорости 1,5 м/с.

Недостатком ЭЭТ является недоучет воздействия радиационного фактора, так как при ее построении принято условие равенства температуры воздуха и окружающей человека поверхностей.

Комплексное нормирование микроклимата с учетом радиационного фактора основано на использование так называемой шкалы результирующих температур (РТ). Порядок использования ею рассматривается в специальной литературе.

Содержание санитарно-гигиенических требований к метеорологическим параметрам заключается, как это уже указывалось, в том, чтобы обеспечить условия, благоприятные для отвода теплоты, вырабатываемой в организме. Именно таким условиям соответствует наилучшее (комфортное) состояние человек, которое оценивается и объективно (приборами) субъективно. В комфортных условиях наблюдаются хорошее самочувствие и высокая работоспособность.

Комфортные условия различны для людей, занятых выполнением работы различной интенсивности. Они зависят также от времени года и климата. В среднем комфортные условия можно оценить так:

- для южных районов России – летом ЭЭТ = 24°, зимой - 20 °.

- для умеренных широт – летом ЭЭТ = 22°, зимой - 18-19 °.

В принципе одни и те же значения ЭЭТ могут быть получены при весьма существенных колебаниях отдельных параметров, что не всегда допустимо. Не останавливаясь подробно на причинах, укажем только, что диапазон изменения относительной влажности принимают в пределах 30 – 65 %, минимальное значение скорости воздуха ограничивают величиной 0,1 – 0,15 м/с, а ограничения, связанные с температурой поверхностей ограждений рассматривались при изучении вопросов расчета тепловых потерь при проектировании отопления.

4.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХООБМЕНОВ

Общие положения.

Системы вентиляции и кондиционирования воздуха с различной степенью полноты и точности обеспечивают создание и поддержание в помещениях зданий и сооружений требуемых условий воздушной среды. При этом на обслуживаемые этими системами помещения воздействует, как правило, ряд факторов, стремящихся нарушить нормируемые параметры воздуха. Поэтому здесь уместно говорить о том, что рассматриваемые системы предназначены, в известном смысле, для нейтрализации нарушающих факторов.

По своему существу эти факторы можно разделить на внутренние, связанные с технологическими процессами, пребыванием в помещениях людей и других, и внешние, определяемые климатическими характеристиками района и архитектурно-строительными особенностями здания.

Одним из важнейших этапов проектирования не только систем вентиляции и кондиционирования воздуха, но и всего здания в целом является качественная и количественная оценка внутренних и внешних факторов. Надо иметь в виду, что чем сильнее их воздействие, тем сложнее получаются системы вентиляции и кондиционирования и тем дороже они становятся не только первоначальной стоимости, но и по количеству расходуемо в этих системах энергии для привода установок и компенсации потерь теплоты и холода. Поэтому уже при архитектурном проектировании необходимо задумываться над методами и средствами, способствующими снижению степени воздействия на воздушную среду помещений нежелательных факторов.

Перечислим важнейшие из этих мероприятий.

1. Следует предусматривать такие технологические процессы, при которых выделение вредных веществ, теплоты и влаги сводится к минимуму. Это значит, что архитектор обязан вникать в существо технологических процессов и иногда даже принимать участие в их разработке.

2. Необходимо использовать рациональные объемно-планировочные и конструктивные решения, способствующие снижению влияния в первую очередь наружных нарушающих факторов. Сюда относятся: ориентация зданий и сооружений относительно стран света и направления господствующих ветров, выбор формы и размеров здания; определение степени и характера остекления; предотвращение за счет планировочных и конструктивных мероприятий неорганизованного поступления наружного воздуха; выбор материалов и конструкций ограждений, обладающих необходимыми тепло – и влагоизоляционными качествами низкой воздухопроницаемостью.

3. Следует рационально подходить к расположению тех или иных помещений в общей архитектурно-компоновочной структуре здания. Так, например, помещения, требующие для вентиляции наибольших объемов воздуха, целесообразно располагать вблизи от мест забора и выброса воздуха. В противном случае наиболее протяженными оказываются воздухопроводы, имеющие самые большие габариты. Это обстоятельство приводит иногда к необходимости иметь специальные помещения (технические коридоры) для размещения последних.

Желательно группировать помещения, характеризующиеся как примерно одинаковыми вредностями, так и одинаковыми требованиями к расчетным параметрам воздуха.

Как видим, уже на стадии принятия предварительных решений, при формировании образа здания архитектор должен соотносить свою деятельность не только с конструкторами, но и с инженерами других специальностей.

Разновидности систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Системы вентиляции подразделяют по следующим основным признакам:

- способу побуждения движения воздуха - на системы с естественным побуждением (системы естественной вентиляции) и системы с принудительным побуждением (системы механической вентиляции);

- способу снабжения помещений воздухом – на системы, которыми воздух подается в помещение (системы приточной вентиляции) и системы, с помощью которых воздух из помещений удаляется (системы вытяжной вентиляции);

- способу организации вентиляционного процесса в помещениях – на системы, действие которых распространяется только на часть объема помещения (местные системы), и системы, которые обслуживают весь объем помещения (общеобменные системы).

Системы кондиционирования воздуха, в свою очередь, можно различать по следующим признакам:

- степени использования наружного воздуха – на прямоточные, в которых наружный воздух используется однократно, и рециркуляционные, вовсе не использующие наружного воздуха, а также системы с частичной рециркуляцией (приточно-рециркуляционные);

- степени централизации – на центральные системы, обслуживающие из одного центра несколько помещений, и местные, предусматривающие обслуживание одного помещения, оборудование которых, как правило, в нем же и располагается;

- способу комплектации основного оборудования – на системы с агрегатированными кондиционерами и системы с самостоятельными устройствами для реализации различных процессов приготовления воздуха требуемого качества.

Как правило, кондиционеры в виде отдельного агрегата имеют относительно небольшую производительность по воздуху (до 20 тыс /ч) и могут быть либо автономным, имеющими встроенную холодильную машину, либо неавтономными, получающими холод от внешнего источника.

Нагрузки на системы вентиляции и кондиционирования воздуха.

Наиболее распространенными внутренними факторами, нарушающими расчетное состояние воздушной среды (вредностями), являются избыточная теплота, влаговыделения, поступающие в объем помещений пары, газы и аэрозоли.

Одним из важнейших видов вредностей является избыточная теплота.

При расчете систем вентиляции и кондиционирования воздуха обязательно подсчитывается баланс поступающей в помещение и теряемой им теплоты. В общем случае тепловой баланс помещения можно представить следующим образом

, (52)

где - количество теплоты, поступающей от оборудования;

- количество теплоты от людей;

- количество теплоты от освещения;

- количество теплоты, поступающей через наружные ограждения или теряемой через них за счет разности температуры внутреннего и наружного воздуха;

- теплота, вносимая в помещение за счет солнечной радиации.

Тепловой баланс может быть положительным (имеют место теплоизбытки) и отрицательным (имеют место теплопотери).

Как правило, при проектировании зданий сооружений определяют максимальные (расчетные) значения теплоизбытков и теплопотерь. При этом при определении теплопотерь количеством теплоты от освещения, людей и солнечной радиации пренебрегают. Максимальное количество избыточной теплоты является расчетной нагрузкой для систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Исходя из расчетных теплопотерь, проектируются системы отопления, в том числе и воздушного.

Рассмотрим теперь более подробно составляющие теплового балнса.

При определении тепловыделений от оборудования в общем случае пользуются зависимостью (53)

, (53)

где - коэффициент теплопередачи, Вт/ или ккал/ ;

- температура теплоотдающей поверхности, К или ;

- температура воздуха в помещении, К или ;

F- площадь теплоотдающей поверхности, .

Воспользоваться этой формулой удается для поверхностей относительно простой формы. Сведения о численных значениях можно получить из специальной литературы.

Одним из распространенных видов оборудования являются электродвигатели. Расчетная формула для определения количества теплоты, которое необходимо принимать в расчет, имеет вид (54):

, (54)

где N-номинальная мощность двигателя, кВт;

ŋ – коэффициент полезного действия электродвигателя (0,75 – 0,92);

- коэффициент спроса на электроэнергию, принимаемый по справочным данным.

Довольно часто количество теплоты от оборудования удается определить в технологической части проекта. В некоторых случаях эта задача становится предметом специальных исследований и разработок.

Теплопоступления от электрического освещения можно определить по формуле (55)

(55)

где N - мощность установленных в помещении светильников, кВт;

-коэффициент перехода электрической энергии в тепловую

(0,95 – 1,0).

Ориентировочно количество теплоты от освещения нетрудно определить по табл. 4.

Таблица 4. Выделение теплоты от освещения на 1 пола помещения, Вт/

Тип светильника	Освещенность, лк
До 100	100 – 200	200 – 400	400 – 600
Люминисцентные Лампы накаливания

Примечание. Освещенность в первом приближении принимают в зависимости от назначения помещений следующей: читальные залы, рабочие кабинеты, аудитории – 300 лк, помещения конструкторских бюро – 500 лк, залы заседаний, спортивные залы – 200 лк, номера гостиниц – 100 лк, торговые залы магазинов - 200 – 300 лк.

Все рассмотренные виды тепловыделений характеризуются тем, что поступающая в помещение теплота является «сухой» или «явной». Теплопоступления в помещения имеют место и тогда, когда в них поступает водяной пар, прорывающийся через неплотности в оборудовании и образующийся в результате сгорания того или иного топлива (газа, например). Тепловыделения в этом случает называют «скрытым» и определяют по формуле (56)

(56)

где -энтальпия водяного пара, кДж/кг;

-количество водяного пара, кг/ч.

Тепловыделения от людей также состоит из двух составляющих: «явной» теплоты, отдаваемой в помещение в основном конвекцией, и «скрытой», поступающей в помещение месте с испаряющейся с поверхности кожи влагой.

Общее (полное) количество теплоты, выделяемой одним человеком, в среднем можно принимать:

- в состоянии покоя – 115 Вт (100 ккал/ч);

- при выполнении легко по энергическим затратам работы – 150 Вт (130 ккал/ч);

-при выполнении работы средней тяжести – 200 Вт (175 ккал/ч);

- при выполнении тяжелой работы – 290 Вт (250 ккал/ч).

Интересно, что при оценке теплопоступлений от людей «скрытая» теплота составляет солидную долю. Ведь даже при выполнении тяжелой работы температура тела человек остается примерно постоянной, а рост теплопоступлений происходит за счет интенсивного испарения влаги с поверхности кожи.

Влаговыделения в помещениях складываются из поступлений через неплотности в оборудовании самого различного назначения, при испарении водяного пара с открытых поверхностей, в результате жизнедеятельности людей, находящихся в них.

Количество водяного пара, прорывающего через неплотности в оборудовании задается в технологической части проекта или определяется по специальным источникам и методикам.

Количества же водяного пара, поступающего с открытых поверхностей, может быть вычислено по формуле (57)

, (57)

где - коэффициент массообмена между воздухом и водой, отнесенный к разности парциальных давлений (размерность определяется размерностью );

- парциальное давление соответственно насыщенного водяного пара при температуре воды и пара, находящегося в воздухе помещения могут быть легко определены по Y-d диаграмме);

F- площадь поверхности испарения.

Численные значения в каждом конкретном случае определяют по методикам, рассматриваемым в специальной литературе.

Выделение водяного пара людьми в зависимости от степени физического напряжения и метеорологических параметров в помещениях колеблются в пределах 40 – 300 г/ч.

В производственных помещениях приходится сталкиваться с различными количествами вредных веществ, выделяющихся в воздух. Эти вредности в виде газов, паров и аэрозолей поступают через неплотности в оборудовании, аппаратуре и трубопроводах, работающих, как правило, при повышенных давлениях. Количества таких вредностей указывается обычно технологами, хотя в ряде случаев могут быть и рассчитаны по следующим формулам (58)

- при >200 кПа

, (58)

где - коэффициент местного сопротивления не плотности;

К- показатель адиабады (К=1,4);

- плотность газа;

- при ≤20 кПа

. (59)

Испарение вредных веществ с открытых поверхностей в воздух помещений происходит по тем же физическим законам, что и испарение воды. Поэтому здесь для определения количеств вредностей может применяться известная формула (57). Только вместо должно подставляться давление паров испаряющейся жидкости, а в таком случае равно нулю.

Люди в процессе жизнедеятельности выделяют в воздух помещений в основном углекислый газ. Имеет место и выделение других веществ, являющихся результатом биологических реакций, происходящих в организме. Как следствие таких выделений появляются не всегда приятные запахи, усиливающиеся при плохой вентиляции. Количественное определение всех составляющих людей практически невозможно. Поэтому в расчетах используют только количество углекислого газа. В зависимости от выполняемой человеком работы могут принимать следующие количества на одного человека: состояние покоя и умственная работа – 23 л/ч, легкая физическая работа – 30 л/ч, тяжелая работа – 45 л/ч.

Все рассмотренные нами вредности можно отнести к так называемым внутренним нарушающим факторам.

К внешним факторам относят теплоту, поступающую в помещения как за счет разности температуры , так и за счет солнечной радиации, и водяной пар, поступающий через строительные ограждения.

В крупных городах атмосферный воздух может быть загрязнен, но такие загрязнения в состав внешних нагрузок на помещения не принимаются, так как воздух, подаваемый в них, обязательно подвергается очистке от посторонних примесей. Все внешние факторы существенно переменны во времени и их учет и нормирование представляют собой весьма непростую задачу, которую до настоящего времени нельзя считать решенной удовлетворительно.

Изменение параметров воздуха в атмосфере наиболее просто представляется за суточный период. Например, изменение температуры с достаточной степенью точности можно описывать закономерностями гармонических колебаний, т. е:

, (60)

где - среднее значение температуры в течении суток;

- максимальное отклонение температуры от среднего значения;

- частота колебаний;

- время.

Аналогичные зависимости приблизительно справедливы и для потока солнечной радиации. В расчет же принимаются некоторые средние значения, и только для остекленных поверхностей ориентируются на максимальную интенсивность.

Приблизительно теплопоступления от солнечной радиации определяют по формулам: через остекленные поверхности

(61)

через покрытия

, (62)

где F_ост,F_{пак -}площади соответственно остекленных поверхностей и покрытий, м_2;

q_ост, q_{пок -}плотность радиационного потока через остекленные поверхности и покрытия (можно принимать по табл. 2), Вт,м²;

А_ост - коэффициент, характеризующий остекление и степень его загрязнения (принимают в среднем 0,6 – 0,8)

Удельные теплопоступления через ограждающие конструкции за счет солнечной радиации, .

Закономерности изменения параметров наружного воздуха (в первую очередь, температуры и энтальпии) необходимы для выбора расчетных условий при проектировании как сооружений, так и систем, а также для оценки расходов теплоты и холода, потребляемых системами.

Изобразим Y-d диаграмме область возможных состояний наружного воздуха (рис. 68). Ее границей является линия, соединяющая состояния, зарегистрированные в данном географическом пункте за все время наблюдений хотя бы один раз. Граничные изоэнтальпы (Y_max и Y_min) зоны Н и соответствующие им параметры являются для данного пункта абсолютными (максимальными и минимальными). Они принимаются в качестве расчетных в тех случаях, когда нарушений заданных условий воздушной среды в помещениях не допускается. Этим параметрам соответствуют самые мощные и дорогостоящие системы вентиляции и кондиционирования.

Таблица 2. Несветопрозрачные ограждения

Наименование Конструкции

Географическая широта

Бесчердачное покрытие