Понятие и виды моделирования. Моделирование процессов формирования микроклимата
3.Для решения практических задач таких, как оценка комфортности микроклимата или определение потребной мощности систем, обеспечивающих микроклимат, необходимо определять распределение параметров микроклимата в объеме помещения и их изменение во времени. В этом случае пользуются моделированием процессов или воспроизведением их определенными методами, при том условии, что воспроизведение должно адекватно отображать условия протекания процессов в натуре.
Обычно моделирование преследует следующие цели:
-исследовательские, для углубленного изучения процессов формирования или разработки новых технологий обеспечения микроклимата;
-расчетные, для определения установочных параметров системы обеспечения микроклимата в расчетных условиях и режима функционирования системы в эксплуатационных условиях.
4. Для моделирования процессов формирования микроклимата обычно применяют три вида моделирования:
-математическое моделирование на основе решения системы уравнений в дифференциальной или алгебраической форме, описывающих тепловой, воздушный, влажностный и газовый режим помещения.
-физическое моделирование в натурных условиях или на геометрически подобных натурному объекту моделях, на которые физические процессы переносят с помощью масштабных соотношений;
-аналоговое моделирование - разновидность физического, когда реальные процессы заменяются другими, имеющими формально аналогичное математическое описание.
Отсутствие вычислительных технологий в предшествующие десятилетия определило основной путь изучения процессов формирования микроклимата, который состоял в натурных и лабораторных исследованиях.
Аналитические решения носили ограниченный характер и частично основывались на данных экспериментов. В результате обширных экспериментов был получен и обобщен имеющийся в настоящее время багаж знаний о физике процессов. Современные вычислительные технологии открывают широкие возможности для исследования процессов формирования микроклимата, в том числе путем прямого решения дифференциальных уравнений, описывающих эти процессы. Иными словами на передний план вышла методология исследований на базе математического моделирования. В принципе можно выделить два вида математических моделей - с распределенными (полностью или частично) и сосредоточенными параметрами.
6. В помещениях жилых и общественных зданий следует обеспечивать оптимальные или допустимые параметры микроклимата в обслуживаемой зоне. Параметры, характеризующие микроклимат в жилых и общественных помещениях: - температура воздуха; - скорость движения воздуха; - относительная влажность воздуха; - результирующая температура помещения; - локальная асимметрия результирующей температуры. Требуемые параметры микроклимата: оптимальные, допустимые или их сочетания следует устанавливать в зависимости от назначения помещения и периода года с учетом требований соответствующих нормативных документов*.
При обеспечении показателей микроклимата в различных точках обслуживаемой зоны допускается: - перепад температуры воздуха не более 2 °С для оптимальных показателей и 3 °С - для допустимых; - перепад результирующей температуры помещения по высоте обслуживаемой зоны - не более 2 °С; - изменение скорости движения воздуха - не более 0,07 м/с для оптимальных показателей и 0,1 м/с - для допустимых; - изменение относительной влажности воздуха - не более 7% для оптимальных показателей и 15% - для допустимых. В жилых и общественных зданиях согласно нормативно-техническим документам* в холодный период года в нерабочее время допускается снижать показатели микроклимата, принимая температуру воздуха ниже нормируемой, но не ниже 15 °С - в жилых помещениях;12 °С - в помещениях общественных, административных и бытовых. Нормируемая температура должна быть обеспечена к началу использования.
7.радиационная Температура абсолютно черного тела, при которой его интегральная интенсивность (яркость) по всемуспектру равна интегральной интенсивности излучения данного тела.
в холодное время года оптимальная температура воздуха в жилых помещениях должна быть 20-22град. ц. (результирующая - 19-20град. ц.) , допустимая температура воздуха - 18-24град. ц. (результирующая - 17-23град. ц.) . Локальная асимметрия результирующей температуры должна быть не более 2,5°С для оптимальных и не более 3,5 °С для допустимых показателей. При обеспечении показателей микроклимата в различных точках обслуживаемой зоны допускается: - перепад температуры воздуха не более 2°С для оптимальных показателей и 3 °С - для допустимых; - перепад результирующей температуры помещения по высоте обслуживаемой зоны - не более 2 °С. Измерение показателей микроклимата в холодный период года следует выполнять при температуре наружного воздуха не выше минус 5°С. Не допускается проведение измерений при безоблачном небе в светлое время суток. Не допускается проведение измерений при безоблачном небе в светлое время суток. Измерение температуры, влажности и скорости движения воздуха следует проводить в обслуживаемой зоне на высоте: - 0,1; 0,4 и 1,7 м от поверхности пола для детских дошкольных учреждений; - 0,1; 0,6 и 1,7 м от поверхности пола при пребывании людей в помещении преимущественно в сидячем положении; - 0,1; 1,1 и 1,7 м от поверхности пола в помещениях, где люди преимущественно стоят или ходят; - в центре обслуживаемой зоны и на расстоянии 0,5 м от внутренней поверхности наружных стен и стационарных отопительных приборов в помещениях.
8. Относительная влажность — отношение парциального давления паров воды в газе (в первую очередь, в воздухе) к равновесному давлению насыщенных паров при данной температуре. Обозначается греческой буквой φ.Абсолютная влажность — количество влаги, содержащейся в одном кубическом метре воздуха. Из-за малой величины обычно измеряют в г/м³. Но в связи с тем, что при определённой температуре воздуха в нем может максимально содержаться только определённое количество влаги (с увеличением температуры это максимально возможное количество влаги увеличивается, с уменьшением температуры воздуха максимальное возможное количество влаги уменьшается), ввели понятие относительной влажностиСущественным фактором физиологического воздействия на организм человека являетсявлажность воздуха, влияние которой на тепловой комфорт связано с дыхательным трактом человека. Г. Эверт установил, что скорость движения слизи, покрывающей носовую полость, дыхательные пути и альвеолы легких, зависит главным образом от относительной влажности вдыхаемого воздуха. Если она составляет менее 40%, то слизь движется с небольшой скоростью, налипая на оболочки (рис.1). В результате сокращается подвижность эпителия, что способствует проникновению в легкие бактерий и вирусов. Исходя из этого, рекомендуется относительную влажность воздуха поддерживать в интервале 40-60%. Другим проявлением влияния влажности воздуха на тепловой комфорт является зависимость скрытой теплоотдачи организма от влажности. Тепло в результате испарения влаги отводится из легких и дыхательных путей, а также при потоотделении. Установлено, что организм испаряет за сутки 800-1000 г влаги, или в тепловом эквиваленте 2100-2500 кДж, что составляет 20-25% отдаваемого тепла.
9. Воздухообмен - это один из количественных параметров, характеризующихработу системы вентиляции воздуха в закрытых помещениях. Кроме того, воздухообменом также принято называть непосредственно процесс замещения воздушного объема во внутренних пространствах того или иного здания. Правильная организация воздухообмена в производственных и жилых помещениях - одна из главных целей проектирования и создания современных систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
Количественное значение коэффициента воздухообмена для каждого конкретного помещения отражает тот объем приточного воздуха, который необходим для обеспечения нормального состояния воздушной среды, с целью комфортного функционирования присутствующих в нем людей и работающих приборов. Расчет кратности воздухообмена осуществляется на основе необходимого притока воздуха, достаточного для ассимиляции излишней влаги и тепловой энергии, содержащихся в атмосфере помещения. Для точного расчета необходимых воздухопритоков существуют рекомендованные государственными органами нормы воздухообмена.
Определение кратности воздухообмена.
Кратность воздухообмена - это величина, значение которой показывает, сколько раз в течение шестидесяти минут воздух в помещении полностью заменяется на новый. Нормы расчета кратности воздухообмена в системах вентиляции напрямую зависят от предназначения каждого конкретного помещения. Так, кратность воздухообмена в цеху на горячем производстве будет значительно отличаться от этого показателя в научной лаборатории или в бассейне.
В расчет берутся практически все характеристики и особенности помещения: общее число и теплопроизводительность всех электроприборов и оборудования, наличие и количество постоянно присутствующих людей, уровень и интенсивность уже существующего естественного воздухообмена, включая объемы просачивания воздуха через щели и неплотности, температура и влажность воздушного состава и многие другие факторы. Кроме всего прочего, в жилых и офисных помещениях на увеличение кратности воздухообмена отлично работают постоянно открывающиеся дверные и оконные створки, что создает своеобразный эффект "поршня насоса", закачивающего внутрь и откачивающего наружу дополнительные объемы воздуха.
Механический и естественный воздухообмен (схемы действия).
Схема работы естественного воздухообмена довольно проста. Благодаря разнице температур наружного и внутреннего воздуха, в вентиляционной шахте здания создается тяга. Возникающее разрежение заставляет внешний воздух просачиваться сквозь окна, двери и неплотности в конструкциях внутрь помещения, и замещать собой находящийся внутри газовоздушный объем. Такой процесс называется инфильтрацией, вследствие него и возникает естественный воздухообмен в помещении.
Совсем другое дело - возникновение принудительного воздухообмена, который является следствием работы вентиляционного оборудования. Механическая (принудительная) система вентиляции дает возможность необходимой нормы кратности воздухообмена путем расчета и установки целого набора вентиляционных узлов, приборов и механизмов. При этом расчет воздухообмена в помещении может происходить с весьма высокой долей точности, что большей частью зависит от мастерства, опыта и уровня квалификации инженера-проектировщика.
Добросовестно выполненный расчет потребного воздухообмена дает возможность более эффективно и бережливо эксплуатироватьустановленную систему вентиляции, поддерживая на заданном уровне необходимый и достаточный объем поступления приточного воздуха. Многократно опробированная и проверенная временем методика расчета воздухообмена позволяет сооружать надежные и низкозатратныевентиляционные системы практически для любого типа архитектурных сооружений, будь то склад, котельная или производственный цех.Особенно важно корректно рассчитать кратность воздухообмена в тех помещениях, где по тем или иным причинам в атмосферу выделяются токсические вещества, такие как продукты горения газа в газовых плитах. Если воздухообмен на кухне не будет организован должным образом, то находящимся там людям грозит оксиуглеродная интоксикация крови. Еще более негативное воздействие на организм человека оказывает другой продукт сжигания природного газа в кухонных плитах, диоксид азота.
При этом на кухнях, оснащенных электроплитами, кратность воздухообмена может быть существенно ниже. Таким образом, расчет необходимого воздухообмена в системах вентиляции и кондиционирования следует считать одной из основных задач в деле заботы о самочувствии и здоровье людей.
10. Движение воздуха в помещении
Движение воздуха в помещении так же как и температура и влажность значительно влияет на комфортные ощущения и самочувствие человека. Отсутствие движения воздуха в помещении воспринимается часто как дискомфорт. Причина дискомфорта заключается в том что вокруг человеческого тела образуется своего рода воздушная рубашка насыщенная влагой что в свою очередь ухудшает теплоотдачу человеческого тела. Лёгкое движение воздуха предотвращает образование такой рубашки.При температуре окружающего воздуха ниже температуры человеческого тела с повышением скорости воздушных потоков вокруг тела, потери тепла
человеком возрастают. Чтобы сохранить комфортные условия в такой ситуации требуется либо увеличить влажность либо температуру воздуха. Чрезмерная подвижность воздуха вызывает увеличение теплопотерь человеческим телом и приводит к быстрому переохлаждению человеческого организма.Значение величины ( скорости) движения воздуха зависит от характера деятельности человека. Помимо влияния на человеческий организм движение воздуха влияет также на распределение воздушных масс внутри помещения. Тем самым влияет на формирование микроклимата в помещении в целом. Во многом подвижность воздуха зависит от конструктивных и проектных решений системы вентиляции помещения ( расположение вентиляционных решёток, каналов, принятый воздухообмен и тд.)Рассматривать подвижность воздуха как отдельный параметр нельзя. Для обеспечения комфортных условий требуется подвижность воздуха рассматривать совместно с температурой и влажностью воздуха. Например в летнее время при высокой температуре наружного воздуха в кондиционируемом помещении недопустимо существенное движение внутреннего охлаждённого воздуха так как сразу же у человека возникает дискомфорт в ощущениях. Особенно если человек не постоянно находится в охлаждённом помещении.Рекомендуемая скорость воздуха в помещении 0,15-0,25,t=18-22
11. В такой обстановке человек ощущает воздушный комфорт, что очень важно, ведь большую часть жизни он проводит в замкнутом объеме помещения и вынужден дышать внутренним воздухом.Нарушение комфортного ощущения воздушной среды в граждан¬ ских зданиях связано со следующими причинами:• накоплением антропотоксинов;• деструкцией полимерных материалов в помещении;• фоновым загрязнением наружного воздуха, подаваемого в поме¬ щение;• деструкцией наружного воздуха при обработке в системах венти¬ ляции и кондиционирования воздуха.37В промышленных зданиях воздух может быть загрязнен также токсичными парами, газами, аэрозолями и пылью, выделяющимися в технологическом процессе. Попадая в организм через дыхательные пути, кожу и пищу, токсичные вещества могут вызывать отравление. Степень воздействия их на человека зависит от вредности вещества, его концентрации в воздухе помещения (обычно измеряется в мг массы вещества на 1 м3 воздуха), продолжительности действия. Наиболее распространены такие вредные вещества:1) окись углерода - угарный газ без цвета и запаха, образующийся в результате неполного сгорания топлива; он хорошо смешивается с воздухом, легко соединяется с гемоглобином крови, связывает его и вызывает кислородное голодание организма, что приводит к потере сознания и затем к смерти;2) окислы азота - газы, образующиеся при сгорании топлива; они вызывают раздражение легких и, воздействуя на астматиков и детей наихудшим образом, увеличивают риск респираторных заболеваний;3) летучие химические соединения - в основном пары растворите¬ лей и чистящих бытовых веществ, при длительном воздействии раздражающие слизистую оболочку глаз и дыхательные пути, от¬ рицательно влияющие на нервную систему, кожу, печень и почки;4) формальдегид - бесцветный газ с резким запахом, выделяющий¬ ся из древесно-стружечных плит (мебели, отделочных материа¬ лов), а также пенопластовых уреаформальдегидных материалов (теплоизоляционных); малые концентрации способствуют раз¬ дражению глаз, носа и горла, при более высоких концентрациях появляется ощущение тошноты и одышка;5) радон - радиоактивный природный газ, не имеющий цвета, запа¬ ха и вкуса; он выделяется из грунтов, содержащих повышенную концентрацию урана (радия), который в малом количестве имеет¬ ся во всех почвах и породах; наибольшая концентрация радона возможна в подвалах и помещениях первого этажа; долговремен¬ ное воздействие радона повышает риск заболевания раком легких;6) волокнистые пыли, состоящие из мелких волокон минералов или синтетических минеральных веществ; наиболее опасны во¬ локна асбеста, который до недавнего времени широко использо¬ вался как строительный материал и в качестве теплоизоляции; проникая в легкие, пыль от волокон раздражает и повреждает ткани, что может привести к тяжелым заболеваниям, в том числе раку легких;387) свинец и его соединения, испаряющиеся при температуре более 500°С, образует аэрозоли окислов; его широко применяют для приготовления красок, в качестве добавок к бензину. Попадая в кровь в больших дозах, он нарушает работу нервной системы, по¬ чек и системы кровоснабжения, в малых дозах отрицательно воз¬ действует на умственное и физическое развитие детей.8) биологические загрязняющие вещества:• плесень - разновидность грибов, обнаруживаемая в сырых, плохо вентилируемых помещениях; вызывает у чувствительных людей аллергические реакции, сходные с сенной лихорадкой или астмой;• пыль биологического происхождения, попадающая снаружи (частицы почвы, цветочная пыль, пылевые клещики) или возни¬ кающая внутри помещения (перхоть кошек и собак, птичьи пе¬ рья, споры плесневых грибов, тараканы), медленно выводится из организма, вызывает аллергические реакции;• бактерии, накопившиеся в помещении, особенно в бумажных обоях, попадая в помещениё с вентиляционным воздухом, стано¬ вятся источником инфекционных заболеваний;9) табачный дым, содержащий смолы и другие вредные вещества, вызывает легочные заболевания, в т. ч. рак легких даже у некуря¬ щих людей; особенно велико вредное воздействие дыма на детей. На промышленных предприятиях, кроме того, выделяется серни¬ стый газ, пары синильной кислоты и ртути, пары и пыль марганца и другие высокотоксичные пары и газы, а также многочисленные ви¬ ды пыли, дымы, возникающие в результате механической обработ¬ ки, горения и возгонки материалов.Одно из условий воздушного комфорта - это отсутствие в возду¬ хе неприятных запахов, сопутствующих выделению необязательно токсичных веществ. В прошлые эпохи с запахами боролись, сжигая в помещении благовония, что заменяло вентиляцию. В настоящее время отсутствие неприятных запахов является одним из безуслов¬ ных требований к кондиционируемому воздуху.