Формирование параметров микроклимата в помещениях ресторанных комплексов. Тульская С.Г., Сотникова О.А

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно– строительный университет».

Защита диссертации состоится «28» ноября 2013 года в 13 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-

летия Октября, д. 84, корпус 3, ауд. 3220; тел./факс: +7(473)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Автореферат размещён на официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ.

Автореферат разослан « 24 » октября 2013 г.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение условий комфортного микроклимата в помещениях ресторанных комплексов является важной и актуальной задачей. От ее решения зависит самочувствие посетителей, работоспособность обслуживающего персонала и качество производимой им продукции.

Содной стороны, современный ресторан представляет собой сложный тип предприятия, в котором совмещают функции производства продукции и обслуживания посетителей. В этой связи помещения в ресторанных комплексах подразделяют по назначению на:

– производственные – это горячий цех и помещения, непосредственно связанные с приготовлением пищи (производственные цехи, складские, административно– бытовые и технические);

– непроизводственные – это обеденные залы и другие помещения, наличие которых обусловлено функцией обслуживания посетителей (вестибюли, обеденные залы, холлы и пр.).

Сдругой стороны, ресторанные комплексы – это объекты капитального строительства, представляющие собой совокупность разнородных активных и пассивных элементов: вентиляционно-отопительной техники, наружных ограждающих конструкций, воздушной среды внутреннего воздуха в помещениях, оборудования технологических линий производства продукции, средств производства, посетителей и обслуживающего персонала и т.п.

Применяемые в настоящее время нормативные методики теплотехнических расчетов и проектирования систем теплового и экологического комфорта в помещениях ресторанных комплексов основаны, главным образом, на использовании осредненных или укрупненных значений расчетных величин, справедливых для установившихся или существенно упрощенных режимов работы. Реальные же процессы переноса, являясь нестационарными во времени и переменными в пространстве, зависят от целого ряда влияющих факторов и параметров. Значительное количество параметров, обуславливающих формирование микроклимата ресторанов, определяет сложность и системность поставленной в данной диссертации задачи. Поэтому совершенствование методов расчета оптимальных параметров микроклимата в ресторанных комплексах с целью создания комфортных тепловых условий для посетителей и работников является актуальной задачей.

Настоящая работа выполнялась в рамках научно– исследовательской работы «Разработка систем теплогазоснабжения с целью экономии топливноэнергетических ресурсов и защиты окружающей среды от тепловых и вредных выбросов энергетических установок».

Целью работы является формирование требуемых параметров микроклимата в помещениях ресторанных комплексов с целью создания теплового комфорта.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

3

1.Анализ составляющих процессов тепломассообмена в помещениях ресторанных комплексов и оценка их влияния на формирование параметров теплового комфортного микроклимата.

2.Моделирование процессов интенсивности конвективного и лучистого теплопереноса в ресторанных помещениях производственного и непроизводственного назначения.

3.Определение особенностей формирования полей температур на внутренних поверхностях остекления ресторанных помещений.

4.Оценка влияния основных схем воздухообмена на формирование зон теплового комфорта и дискомфорта в ресторанных помещениях производственного и непроизводственного назначения.

5.Разработка и тестирование методики, структурной схемы алгоритма и программного продукта для автоматизации процесса расчета параметров микроклимата

сцелью создания зон теплового комфорта в помещениях ресторанных комплексов.

Научная новизна:

- разработана математическая модель формирования параметров микрокли-

мата с целью создания комфорта в ресторанных помещениях, учитывающая нестационарность процессов тепловыделений от оборудования горячих цехов, переменность в пространстве лучистого теплообмена между телом человека и ограждениями, а также влияние скорости и направления вентиляционных потоков на интенсивность конвективных теплопотерь тела;

-предложены зависимости для определения коэффициента конвективного теплообмена между человеком и окружающей средой при различных направлениях вентиляционного потока;

-обосновано аналитическое выражение для определения теплообмена излучением между человеком и поверхностями ограждений с учетом его местоположения в помещении ресторанного комплекса;

-обоснована теплофизическая модель основного технологического ресторанного оборудования с учетом цикличности его работы; предложены аналитические зависимости для описания конвективных и лучистых тепловыделений от нагретых поверхностей оборудования во внутреннюю среду помещений;

-на основе предложенных математических моделей разработаны методики расчета, структурная схема алгоритма и программное обеспечение параметров микроклимата в помещениях ресторанных комплексов.

Достоверность полученных результатов обуславливается применением научно– обоснованных методов исследований, использующих фундаментальные законы тепломассообмена и аэродинамики, статистической обработкой полученных экспериментальных данных, а также согласованностью основных положений представленной работы с результатами исследований других авторов.

Научная и практическая значимость работы. Предложенная математи-

ческая модель позволяет осуществить проектное формирование заданных параметров микроклимата, удовлетворяющих условиям теплового комфорта для помещений ресторанных комплексов. К достоинствам данной модели можно отнести более детальное и точное описание процессов лучистого и конвективного теплообмена.

4

Разработано программное обеспечение для численной реализации предложенной математической модели, выполненное в среде Borland C++ Builder 6.0. Достоверность результатов теоретических исследований подтверждена проведением серии экспериментов в натурных условиях (ООО «Санаторий им. Ф. Э. Дзержинского», Воронежская обл., Рамонский р-н, с. Чертовицы) при разработке проекта повышения комфортности обеденного зала и горячего цеха ресторанного комплекса. Результаты исследования также применены при обосновании проектных показатели комфортности микроклимата помещения «Фабрика– кухня» в г. Воронеже (ул. Ленина, д.1).

Результаты исследований внедрены в учебный процесс в Воронежском государственном архитектурно– строительном университете при подготовке бакалавров по направлениям 270800.62 Строительство, 100100.62 Сервис и магистрантов по программам подготовки «Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий», «Сервис инженерных систем гостинично– ресторанных, спортивных и торгово-развлекательных комплексов».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на VIII Межрегиональной научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии» (Воронеж 2012 г.), Международной студенческой электронной научной конференции (Москва 2012 г. и 2013 г.), Международной межвузовской научно– практической конференции молодых учёных, аспирантов и докторантов «Строительство– формирование среды жизнедеятельности» (Москва 2013 г.), Фестивале науки Воронежского ГАСУ (2013 г.). Кроме того, результаты исследования ежегодно докладывались и обсуждались на научно– технических конференциях профессорско– преподавательского состава Воронежского ГАСУ

(2010-2013 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, общим объемом 120 страниц, из которых лично автору принадлежит 90 страниц, в том числе три работы – в изданиях, рекомендованных ВАК: «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура», «Экология и промышленность России».

В статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, изложены основные результаты диссертации: в работах [1, 2] предложен метод определения требуемого воздухообмена для помещений ресторанных комплексов, а также рассматриваются вопросы выделения вредностей в помещении ресторанных комплексов, методы их удаления и создания требуемого микроклимата для персонала и посетителей; в работе [3] приведены результаты моделирования процесса тепловыделений в горячем цехе ресторанного комплекса при влажностнотепловой обработке продукции, позволяющие вычислить общее количество тепловой энергии, поступающей в помещение в течение всего цикла работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованных источников из 127 наименований и трех приложений. Диссертация изложена на 226 страницах основного машинописного текста (в том числе текст приложений на 31 стр.) и содержит 69 рисунков и 20 таблиц.

5

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и задачи исследований, указаны объекты и предметы анализа, научная новизна диссертации и положения, представляемые на защиту, практическая ценность и апробация полученных результатов, структура диссертации.

Первая глава. Основные положения создания теплового комфорта в помещениях изложены в трудах известных российских и зарубежных учёных: Андреевского А. К., Банхиди Л., Богословского В. Н., Бродач М. М., Витте Н. К., Гримитлина М. И., Данилюка А. М., Ерёмкина А. И., Кондратьева Г. М., Кувшинова Ю. Я., Ливчака И. Ф., Лукова А. В., Мухина В. В., Сенатова И. Г., Сканави А. Н., Соколова Е. Я., Табунщикова Ю. А., Умнякова П. Н., Фангера О., Федоровича Г. В.,

Флавицкого И. И. Холщевникова В. В., Bedford Th., Rabler B., Hartman T. и др.

Выполнен комплексный анализ составляющих процессов тепломассообмена, определяющих условия теплового комфорта в помещениях ресторанного комплекса. Показано, что значимое влияние на формирование зон теплового комфорта и дискомфорта оказывают (рис. 1): средняя результативная температура в помещении, относительная влажность воздуха и скорость его движения (подвижность).

Температура внутреннего воздуха

Рис. 1. Составляющие параметров теплового комфорта

Висследованиях О. Фангера, Л. Бахинди, В.В. Холщевникова, А.В. Лукова

иИ.И. Флавицкого отмечалось, что температура, ощущаемая человеком, зависит не только от показания сухого термометра, относительной влажности и скорости движения воздуха, но и от теплового излучения окружающих поверхностей ограждений, приборов отопления и открытых источников огня. В качестве обобщенного температурного показателя в расчетах теплового комфорта обосновано применение средней результативной температуры в помещении t р.п . Она вычисляется

как среднее значение между температурой воздуха в помещении и осредненной радиационной температурой внутренних поверхностей ограждений. Последняя, в свою очередь, зависит от теплового излучения, создаваемого работающим теплотехнологическим оборудованием влажностно– тепловой обработки продуктов, тепловыделений отопительными приборами, теплопоступлений за счет солнечной радиации, от осветительных приборов и др.

Таким образом, в процессе анализа установлено:

1.Реальные процессы тепломассопереноса в помещениях ресторанных комплексов являются переменными в пространстве и нестационарными.

2.Существенное влияние на формирование комфортного микроклимата в помещении оказывает организация воздушных потоков, что определяется, с од-

6

ной стороны, принятой схемой воздухообмена, с другой стороны – принципами размещения рабочих мест, теплотехнологического оборудования и др.

3.Формирование зон теплового комфорта и дискомфорта зависит от принятой схемы воздухообмена «сверху– вниз» (перемешивающая вентиляция) или «снизу– вверх» (вытесняющая вентиляция). В этой связи рассмотрена возможность и условия применения новых конструктивных решений климатизации обеденных залов и горячих цехов ресторанного комплекса.

4.Сложное и взаимосвязанное влияние метеорологических факторов на человеческий организм и разнообразные проявления его ответных реакций требуют их комплексного описания. В настоящее время отсутствует методика комплексного расчета составляющих параметров теплового комфорта в ресторанных комплексах, позволяющая осуществить системный подход к вопросу прогнозирования комфортных условий, так как известные подходы к решению либо основаны на использовании укрупненных значений, либо рассмотрены упрощенно и только для стационарных режимов.

Итогом первой главы является обоснование и формулирование задач работы. Вторая глава. Рассматривается уравнение теплового баланса для организма

за некоторый период времени

Условия достижения комфортных теплоощущений человека формулируются следующим образом:

1.При соблюдении равенства (1) формируются параметры теплового ком-

форта.

2.При выполнении неравенства

тепловой комфорт не достигается, так как организм перегревается (человеческий организм отдает в окружающую среду меньше теплоты, чем вырабатывает).

3. При выполнении неравенства

тепловой комфорт также не достигается, так как организм переохлаждается (человеческий организм отдает в окружающую среду больше теплоты, чем вырабатывает).

Лучистый теплообмен. Интенсивность лучистого теплообмена поверхности тела человека с внутренней поверхностью i– того ограждения может быть определена по формуле:

7

где Сч/.огр.i – приведенный коэффициент излучения, Вт/(м2·К4); ϕч.огр.i – угловой коэффициент излучения поверхности тела человека на внутреннюю поверхность ограждения; τ в.п. i – температура на внутренней поверхности ограждения помещения, 0С; τ ч – температура внешней поверхности одежды человека, 0С.

Известные методы расчета, предложенные в работах В. Н. Богословского, О. Фангера, И.И. Шаркаускаса и др., имеют ограниченный характер практического применения, поскольку позволяют определить значения углового коэффициента излучения для человека, либо неподвижно стоящего в центре помещения, либо передвигающегося только по его центральной оси. Однако такое местоположение не является характерным ни для работников горячих цехов, ни для посетителей обеденного зала ресторанного комплекса.

Для более детального описания лучистого теплообмена между телом человека и внутренними поверхностями ограждений проведены теоретические исследования, которые позволили получить новое аналитическое выражение для углового коэффициента излучения открытых участков поверхности тела человека ϕ

щение человека в глубь помещения; x1 – перемещение человека от центральной оси помещения параллельно ограждению.

Полученное аналитическое выражение позволяет учесть, в отличие от известных методик, любое возможное местоположение человека в помещении ресторанного комплекса.

Конвективный теплообмен. Для разработки методики расчета конвективного теплообмена человека в одежде с воздушной средой помещения тело человека рассмотрено как система с внутренним источником теплоты. Проанализированы известные расчетные теплофизические модели теплоотдачи от цилиндра и эллипса, омываемых поперечным потоком воздуха. Теплоотдача по периметру тела человека определена как средняя из значений, соответствующих лобовой и кормовой зонам (рис. 2).

а) б) в) Рис. 2. Расчетные схемы обтекания потоком воздуха эллипса (а, б)

и цилиндра (в) с отрывом пограничного слоя

8

Для расчета средней теплоотдачи по периметру тела человека обоснована возможность применения следующих критериальных уравнений:

– при Re < 1000

вающая теплофизические свойства теплоносителя и их зависимость от температуры.

После соответствующих преобразований и упрощений получено аналитическое выражение для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией поверхности тела человека, справедливое при Re = 1000… 20000 и угле атаки, образуемом направлением потока воздуха с осью человеческого тела, равном 900 (рисунок 3а).

где Wв – скорость движения воздуха, м/с; Lвнут – периметр тела человека, м; ν в – кинематическая вязкость воздуха, м2/с; λвоз. – коэффициент теплопроводности воздуха,

Вт/(м·0С).

Однако на практике угол обдува тела человека потоками вентиляционного воздуха чаще всего отличен от 900 (см. рис. 3б и 3в). Это утверждение справедливо как для схем перемешивающей вентиляции, так и для схем вытесняющей вентиляции.

Рис. 3. Условия обдувания воздухом человека в помещении:

а) угол атаки φ = 900;

б) угол атаки φ = 450;

в) угол атаки φ = 300

При углах атаки, меньших 900, теплоотдача уменьшается. Снижение интенсивности теплоотдачи в таких случаях может быть учтено коэффициентом ε ф :

углах атаки, меньших 900 . Выразив αч.к.ф , получаем:

Коэффициент теплоотдачи конвекцией с поверхности тела человека для угла атаки в интервале 300 … 90 0 при Re = 1000… 20000 будет:

9

0,6π 0,4

α ч.к.ф. = 0,38λвоз. (1 - 0,54 cos2 ϕ)νWB . (11)

0,6 L0,4

в внут

Вкачестве определяющей температуры в предложенных зависимостях выступает результативная температура внутреннего воздуха помещения, а в качестве определяющего размера – высота тела человека.

Теплота, выделяемая человеком при дыхании, рассчитывалась по стандарт-

ным методикам.

Теплообмен за счет испарения влаги с кожного покрова. Расчет теплообме-

на предлагается осуществлять по известным методикам, с учетом теплоизоляционных свойств комплекта форменной одежды работника во внутреннюю среду горячего цеха ресторана. Нами определен перечень составляющих форменного комплекта одежды работника горячего цеха, оценены их теплофизические свойства, влагопроницание материалов (тканей), из которых изготовлен комплект. С учетом этих характеристик определено сопротивление переноса теплоты и влаги с поверхности тела человека во внешнюю среду. Теплоизоляция комплекта одежды рассчитана как термическое сопротивление многослойной стенки, состоящей из слоев материалов одежды, воздушных прослоек между ними и пограничного слоя воздуха, прилегающего к наружной поверхности одежды.

Втом случае, когда для изготовления одежды используются паропроницаемые материалы, расчет потерь теплоты испарением с поверхности тела человека (с открытых участков кожи) может быть осуществлен по формуле (12):

Третья глава. Изучение современного состояния теории процессов формирования микроклимата отапливаемых помещений показало, что в рассмотренных работах имеет место исследование процессов переноса только в воздушном объеме помещения или в отдельно взятом ограждении. Это не позволяет достоверно оценить тепловой режим светопрозрачных конструкций (остеклений), особенно значительной высоты (в частности, панорамного остекления, которое в последнее время наиболее часто используется при сооружении ресторанных комплексов). Известны исследования, выполненные в Белорусском национальном техническом университете Захаревичем А. Э., имеющие своей целью сопоставление полей параметров микроклимата в отапливаемых помещениях, однако, условия и возможность их применения нуждаются в дополнительной экспериментальной проверке.

В данной главе приведены результаты выполненных нами комплексных экспериментальных исследований температурных полей вблизи внутренних поверхностей остекления помещений, при работе различных отопительных приборов (или при их полном отключении). Была проведена серия теплотехнических испытаний в обеденном зале и горячем цехе существующего ресторанного комплекса, расположенного на территории Санатория им. Ф. Э. Дзержинского (Воронежская область, Рамонский р-н, с. Чертовицы). В обеденном зале установлено панорамное остекление (h =4,5 м) и под ним внутрипольные конвекторы, в горячем цехе – стандартные окна (h =1,5 м) и подоконные биметаллические радиаторы.

10