Теоретические основы создания микроклимата в помещении Конспект лекций и задание для курсовой работы

1. Введение. Основные понятия

Уже из самого названия дисциплины следует, что в любом Помещении имеется определённый Микроклимат, что Микроклимат не воспринимается пассивно как явление природы, а при необходимости может активно Создаваться человеком; что достижение этой цели возможно при наличии, прежде всего, знаний Теоретических, Основы которых и будут изучаться в рамках данной дисциплины, поскольку опирающиеся на эти Основы навыки Практического характера будут рассматриваться позже другими дисциплинами (Отопление, Вентиляция и Кондиционирование).

ЧТО ТАКОЕ МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЯ?

Микроклимат помещения – совокупность тех факторов внутренней среды, которые непосредственно и ощутимо влияют на состояние человека и/или технологические процессы производства.

Какими физическими параметрами определяются микроклимат?

При решении задач контроля микроклимата учитываются две группы параметров:

1) тепловые условия:

• температура помещения (среднее арифметическое температуры воздуха t_В и радиационной температуры t_R (средней температуры всех внутренних поверхностей помещения));

• влажность воздуха;

• подвижность воздуха.

2) Состав внутреннего воздуха:

• концентрация кислорода

• концентрация примесей – углекислоты (продуктов дыхания), вредных газов и паров, пыли;

• концентрация микроорганизмов;

• озоно-ионный состав;

• запахи.

Все эти параметры могут изменяться под действием сил природы, человека и механизмов.

Какие процессы формируют и изменяют параметры микроклимата?

Параметры микроклимата формируется физическими процессами взаимодействия и трансформации потоков тепла, влаги и воздуха.

Потоки, вызывающие отклонение параметров от заданных величин, называются возмущающими воздействиями.

Потоки, приводящие параметры к норме – регулирующими воздействиями.

Откуда в помещение поступают возмущающие воздействия?

Возмущающие воздействия поступают в помещение:

• из внешней среды через наружные ограждения;

• из соседних помещений через внутренние ограждения;

• от людей;

• от внутренних источников (технологических и бытовых).

Откуда в помещение поступают регулирующие воздействия и когда?

Регулирующие воздействия подаются в помещение системами отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК) в виде потоков тепла, влаги и воздуха при отклонении параметров микроклимата от заданных значений. Приведение параметров к норме достигается нейтрализацией и компенсацией возмущающих воздействий.

Система отопления поддерживает требуемую температуру в помещении. Система вентиляции – обеспечивает нормативный воздухообмен (при этом может проводиться обработка подаваемого или удаляемого воздуха). На остальные параметры микроклимата эти системы также оказывают опосредованное воздействие, но – без возможности их коррекции.

Система кондиционирования позволяют автоматически поддерживать любые параметры микроклимата в обслуживаемой зоне независимо от внешних и внутренних условий.

Какие физические процессы происходят при взаимодействии и трансформации потоков тепла, влаги и воздуха?

В помещении протекают процессы:

• теплообмена,

• перемещения потоков воздуха,

• молекулярной диффузии (взаимопроникновение) газовых примесей в воздухе помещения.

Каждый из процессов формирует параметры, совокупность которых называется режимом. Различают тепловой, влажностный, воздушный и газовый режимы помещения или здания.

Как происходит теплообмен?

Существует 3 вида теплообмена:

• конвекция (передача тепла от одного тела к другому посредством подвижной теплоёмкой среды),

• излучение / радиация (передача тепла от одного тела к другому посредством электромагнитного излучения),

• теплопроводность (передача тепла в пределах одного тела между разными его частями).

Во всех случаях тепловой поток направлен от более нагретого тела к менее нагретому. Интенсивность протекающего теплообмена тем выше, чем больше разница температур тел. Явление теплопроводности возникает при неравномерности распределения температуры в пределах одного тела.

Тепловые потоки, направленные из помещения и приводящие к потерям тепла, называются – стоки тепла.

Тепловые потоки, приносящие тепло в помещение – это источники тепла. Источниками тепла в помещении, как правило, являются:

• тепловыделения от технологического оборудования

• людей

• искусственного освещения

• систем ОВК

• теплопоступления от солнечной радиации через окна.

Как происходит конвективный теплообмен?

Конвективный теплообмен происходит при посредстве промежуточной подвижной теплоёмкой среды, переносящей теплоту от одного тела к другому.

Внутри здания теплообмен протекает между поверхностями ограждений (в том числе оборудования) и людьми с одной стороны и воздухом помещения – с другой.

При этом воздух непосредственно контактирует с поверхностью, нагреваясь или охлаждаясь ею (в зависимости от температур поверхности и воздуха), после переместившись к другим поверхностям, нагревает или охлаждает уже их. Люди и оборудование при этом могут выделять потоки воздуха с той или иной температурой, смесь которых с воздухом помещения принимает непосредственное участие в конвективном теплообмене.

Конвекция также возникает в объёме неравномерно нагретой воздушной среды при взаимном перемещении и смешивании слоёв воздуха, имеющих различную температуру.

Извне конвективные тепловые потоки поступают в помещение с нагретым (либо охлажденным) воздухом – в основном от систем вентиляции и кондиционирования воздуха, либо через неплотности в ограждающих конструкциях.

Интенсивность конвективного теплообмена также зависит и от подвижности воздуха.

Конвективное тепло поступает непосредственно в воздух, который не обладает тепловой инерцией, что приводит к быстрому изменению его температуры.

В помещениях большого объема происходит медленное перемешивание воздуха, что приводит к неравномерному распределению температуры воздуха.

Как происходит лучистый теплообмен?

Лучистый теплообмен происходит посредством излучения и поглощения телами электромагнитных, преимущественно инфракрасных, волн.

В теплообмене этого рода роль воздуха невелика. В нём участвуют поверхности, обращенные в помещение. Поверхности тел (в зависимости от их температур) отдают или воспринимают тепло от других тел, находящихся в прямой видимости друг от друга.

Распределение лучистых потоков в помещении носит, как правило, неравномерный или ассиметричный характер, что приводит к неравномерному нагреву отдельных поверхностей. Так как поверхности ограждений обладают тепловой инерцией, теплообмен протекает в нестационарном режиме.

Как происходит теплообмен при явлении теплопроводности?

Перемещение тепловых потоков в толще тел между частями с разной температурой протекает в ходе явления теплопроводности. Этот процесс, как правило, наблюдается при теплопотерях через наружные ограждения помещения, когда внутренняя поверхность ограждения имеет более высокую температуру, чем наружная. Разумеется, движение теплового потока направлено в противоположную сторону, если температура наружной поверхности выше, чем внутренней.

Как происходит перемещение потоков воздуха?

Перемещение потоков воздуха имеет место как между помещениями в пределах здания, так и в пределах одного помещения. Помимо этого, в помещение через наружные ограждения поступает наружный или удаляется внутренний воздух.

Перемещение воздуха по вертикали здания обусловлено вертикальным распределением разности давления снаружи и внутри здания при разности плотности наружного и внутреннего воздуха. В большинстве случаев плотность наружного воздуха больше, поэтому потоки воздуха направлены снизу вверх.

Горизонтальное перемещение воздуха связано с действием ветра на здание. При этом воздух инфильтруется (поступает) в помещение через неплотности наружных ограждений с наветренной стороны здания, а эксфильтруется (удаляется) наружу – в помещении на заветренной стороне здания.

Движение потоков воздуха внутри помещения возникает около нагретых поверхностей отопительных приборов и технологического оборудования и охлажденных поверхностей наружных ограждений (так называемые конвективные источники, формирующие конвективные струи).

Наиболее интенсивное движение воздуха в помещении связано с действием вентиляционных струй. В результате перемещения потоков воздуха в объеме помещения имеет место неравномерное распределение газовых примесей, температуры, влажности и подвиж-ности воздуха.

В пределах рабочей зоны помещения возникают застойные зоны с вихреобразным движением воздуха, в которых могут накапливаться вредные примеси, что недопустимо.

Как происходит молекулярная диффузия?

Молекулярная диффузия – процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого. Для паров и газов в воздухе явление возникает за счет разности давлений компонентов газовоздушной смеси вблизи от источника примесей и в удалении от него.

Вследствие подвижности воздуха скорость распространения вредных примесей в объеме помещения во много раз превышает скорость диффузии. Поэтому этот процесс не оказывает существенного влияния на формирование такого параметра микроклимата, как концентрации газовой вредности в той мере, как, например, перемещение потоков воздуха в помещении.

Каково комплексное воздействие наружной среды на микроклимат помещения?

Наружная среда оказывает возмущающее влияние на тепловые параметры микроклимата опосредованно через ограждающие конструкции (тепло-влагопередача и воздухопроницаемость) и внутренние связи между помещениями (перемещение потоков воздуха, теплообмен).

Взаимодействие здания с внешней средой проявляется в виде потоков тепла, влаги и воздуха, приходящих извне внутрь или наоборот. Направление и интенсивность тепло-влаго-воздухопередачи через наружные ограждения обусловлены разностью потенциалов переноса.

Теплопередача через наружные ограждения обусловлена разностью температуры наружной и внутренней среды. Наружная поверхность обменивается конвективным теплом с наружным воздухом и лучистым теплом с небосводом, грунтом и противостоящими зданиями.

В массивных ограждениях происходит поглощение тепла солнечного излучения поверхностью. При этом нагретая поверхность возвращает частично тепло в наружную среду, а частично передает через толщу ограждения внутрь помещения. Прозрачные для лучей конструкции (окна) пропускают тепловое излучение, не накапливая его в себе.

Скорость ветра сказывается на конвективном теплообмене на наружной поверхности ограждения, а также на распределение давления снаружи здания, что является более весомым воздействием. При торможении потока воздуха на наветренном фасаде здания возникает давление, избыточное по отношению к атмосферному. На заветренной стороне здания – давление оказывается ниже атмосферного.

Разность парциального давления внутри и снаружи здания служит потенциалом переноса водяного пара.

Влажность наружного воздуха в значительной мере определяет влажность внутреннего воздуха, если система притока не оборудована системами осушки и/или увлажнения.

Теплозащита здания и планировочная композиция здания являются пассивными факторами формирования теплового микроклимата.

Как осуществляется теплообмен и влагообмен человека с окружающей средой?

Теплообмен человека с окружающей средой происходит по трём направлениям:

1. конвекция,

2. излучение,

3. испарение влаги с поверхности кожи (как особый случай конвекции).

Когда температура окружающей среды близка или выше температуры человека (выше 34ºС), то основным процессом теплообмена становится теплоотдача за счёт испарения влаги с поверхности кожи, интенсивность которой зависит от влажности воздуха и его подвижности.

Какие тепловые условия считаются комфортными для человека?

Для человека комфортна окружающая среда, не содержащая факторы, препятствующие физической и умственной работе, а также отдыху. Если человек не ощущает ни холода, ни перегрева, ни движения воздуха около тела, то эти параметры окружающей среды в тепловом отношении – комфортные.

Требования к окружающей среде складываются как из субъективных ощущений человека, так и из объективных показателей работы его организма, в частности – системы терморегуляции. На основании данных требований были сформулированы 2 условия комфортности:

1-е условие комфортности: человек, находясь в середине комнаты при данных t_R и t_В, отдаёт всю явную теплоту поверхности тела, не испытывая перегрева или охлаждения. Явная (сухая) теплота – теплота, передаваемая только конвекцией и/или излучением, без наличия испарения или конденсации влаги, т. е. – зависящая только от разности температур.

2-е условие комфортности: человек, не испытывает перегрева или охлаждения от поверхностей, находящихся вблизи от него.

Какие значения параметров воздушной среды являются комфортными для человека?

В зависимости от тяжести выполняемой работы комфортными для человека являются такие значения параметров:

• температура внутреннего воздуха в холодный период: 20-23ºС для лёгкой работы, 17-20ºС для средней и 16-18ºС для тяжёлой работы; в тёплый период: 22-25ºС, 21-23ºС и 18-21ºС соответственно;

• относительная влажность – 40-60%;

• подвижность воздуха в холодный период 0,2-0,3 м/с, в тёплый – 0,2-0,5 м/с.

Условия, учитывающие данные параметры, называются комфортными.

Каковы технологические требования к параметрам микроклимата на производстве?

Некоторые технологические процессы должны проходить при строго определённых параметрах внутренней среды, значения которых обусловлены физико-химическими свойствами обрабатываемых, производимых или хранимых материалов и изделий.

Условия, учитывающие только требования производства, называются технологическими. В случае, если технологические условия являются некомфортными или опасными для человека, а также – если сам человек является источником вредностей для технологических процессов, то на производстве организуются закрытые автоматически линии, если отсутствие человека допустимо. При необходимости участия человека в производственном цикле используется спецодежда, защищающая людей или препятствующая выделению ими вредностей, либо – обеспечиваются не технологические, а комфортно-технологические условия в производственных помещениях.