10373

ционные функции в полном объеме.

Рециркуляция недопустима если в помещении выделяются опасные вещества, имеются радиоактивные и бактериальные загрязнения, дурные запахи.

В промышленных зданиях со значительными теплоизбытками устраивают ор-

ганизованную естественную вентиляцию – аэрацию, для чего используют светоаэрационные и иные проемы для проветривания.

Говоря об организованной естественной вентиляции, имеют ввиду, что элементы таких систем (фрамуги, фонари и т.п.) конструируются и рассчитываются так, чтобы системы обеспечивали в помещении нормируемые параметры. В противном случае следует говорить о неорганизованном проветривании, когда нормируемые условия в помещении не соблюдаются.

Для организованной вытяжной естественной вентиляции используются также системы каналов и шахты. Естественный приток при этом может происходить неорганизованно через щели и неплотности ограждений или организованно через специально устраиваемые приточные клапаны.

Отдельный вид представляют собой аварийные системы вентиляции, которые устаиваются в помещениях, где возможно возникновение аварийных ситуаций (внезапный выброс или неконтролируемая утечка опасных веществ).

Аварийные системы, как правило, вытяжные. В одноэтажных зданиях при поступлении легких опасных веществ допускается устраивать приточные (вытесняющие) системы.

Задача аварийных вентсистем – обеспечить необходимое снижение концентрации опасных веществ при внезапном их выбросе или не допустить неприемлемого повышения концентрации при неконтролируемой утечке в течение заданного промежутка времени.

1.3.4. Расчетные параметры наружного и внутреннего воздуха

Расчетные параметры наружного воздуха

Обеспечение требуемых внутренних условий в помещении определяется выбором расчетных параметров наружного климата.

При проектировании зданий возникает необходимость в решении задач, связанных с использованием различных по функциональному значению (влиянию на микроклимат) и перечню

климатологических данных.

В основе климатологической информации находятся результаты непрерывных метеонаблюдений. На метеостанциях, как правило, измеряют:

-температуру воздуха и поверхности грунта;

-скорость и направление ветра;

-относительную влажность воздуха и барометрическое давление;

-интенсивность прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность и др.

Ряд других необходимых параметров определяют расчетом по измеряемым величинам:

-парциальное давление водяного пара;

-влагосодержание наружного воздуха;

-энтальпия наружного воздуха;

-интенсивность солнечной радиации на наклонные и вертикальные поверхности.

При расчете систем кондиционирования микроклимата выделяют два типа необходимой климатологической информации: для расчетных и эксплуатационных условий.

Под расчетными понимают наиболее неблагоприятные погодные условия, для которых определяются уровень тепловой защиты здания и производительность систем кондиционирования микроклимата. Расчетным условиям соответствует комплекс параметров наружного воздуха, отклонение от которых приводит к отклонению от расчетных параметров микроклимата помещения.

Эксплуатационные условия характеризуются изменением параметров наружного воздуха в течение года в интервале от расчетных зимних до расчетных летних и наоборот.

60

Целью выбора расчетных условий является определение наибольшей нагрузки на системы кондиционирования микроклимата.

Вхолодный период нагрузка на систему отопления соответствует возможно более низкой температуре наружного воздуха и большей скорости воздуха. Теплопоступления от солнечной радиации в холодный период года не учитывают. Влагосодержание наружного воздуха тоже, как правило, невелико и его не учитывают.

Втеплый период года определяют нагрузку на системы охлаждения и осушки воздуха, подаваемого в помещение. Максимальной нагрузке соответствуют возможно более высокие значения температуры, влагосодержания, энтальпии наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации. Скорость ветра при этом должна быть минимальной.

Несмотря на отмеченное выше, принятие в качестве расчетных абсолютно максимальных

иминимальных параметров нецелесообразно, т.к. системы рассчитанные на экстремальные нагрузки в реальных условиях эксплуатации будут иметь завышенную мощность. По этой причине в качестве расчетных принимают параметры меньшие, чем абсолютные max и min. Основным критерием при их выборе является вероятная продолжительность изменения расчетных внутренних условий микроклимата.

При выборе параметров наружного воздуха профессором В.Н. Богословским [18] предложено использовать понятие обеспеченности, которая характеризуется коэффициентом обеспеченности Коб.

Коэффициент обеспеченности показывает (в долях единицы) число случаев, в которых

внутренние условия обеспечиваются по отношению к общему числу случаев.

где: Nр – число случаев с благоприятными исходами;

Nо – общее число случаев, рассматриваемых в данном процессе.

По своей сути Kоб представляет собой вероятность обеспечения внутренних микроклиматических условий. Коэффициент обеспеченности позволил связать уровень комфортности в здании с расчетной температурой наружного воздуха (см. таблицу 1.4).

Климатические данные для различных районов РФ в нормативной литературе приведены

для холодного, переходного и теплого периодов года и различных категорий А и Б. Параметры категории А:

- для холодного периода года:

tнхА – температура наиболее холодного периода года в рассматриваемом регионе, °С;

IнхА – энтальпия, соответствующая tнхА , кДж/кг; - для теплого периода года:

tнтА – значение температуры, большее значение которой наблюдается в данном регионе не более 400 часов в год, °С;

IнтА – энтальпия, соответствующая tнтА , кДж/кг.

Параметры категории Б:

61

- для холодного периода года:

tнхБ – температура наиболее холодной пятидневки в рассматриваемом регионе, °С;

IнхБ – энтальпия, соответствующая tнхБ , кДж/кг; - для теплого периода года:

tнтБ – значение температуры, большее значение которой наблюдается в данном регионе не более 220 часов в год, °С;

IнтБ – энтальпия, соответствующая tнтБ , кДж/кг.

В ведомственных нормах для уникальных зданий и сооружений используют параметры категории В.

Параметры категории В:

- для холодного периода года:

tнхВ – абсолютно минимальное значение температуры в рассматриваемом регионе, °С;

IнхВ – энтальпия, соответствующая tнхВ , кДж/кг; - для теплого периода года:

tнтВ – абсолютно максимальное значение температуры в рассматриваемом регионе, °С;

IнтВ – энтальпия, соответствующая tнтВ .

При проектировании систем кондиционирования микроклимата нормы проектирования рекомендуют принимать следующие расчетные параметры наружного воздуха.

1. В помещениях жилых, общественных, административно-бытовых и производственных зданий:

- параметры А – для систем вентиляции и воздушного душирования для теплого периода

года;

-параметры Б — для систем отопления, вентиляции и воздушного душирования для холодного периода года, а также для систем кондиционирования для теплого и холодного периодов года.

2. Для зданий сельскохозяйственного назначения:

-параметры А — для систем вентиляции и кондиционирования для теплого и холодного периодов года;

-параметры Б — для систем отопления для холодного периода года.

3. Параметры наружного воздуха для переходных условий года следует принимать 10 °С и удельную энтальпию 26,5 кДж/кг.

Расчетные параметры внутреннего воздуха Расчетными параметрами воздушной среды в помещении при проектировании СКМ

служат параметры воздуха, определяющие комфортные условия и удовлетворяющие требования технологического процесса.

Требуемые метеорологические условия в помещениях (внутренние условия) должны быть обеспечены в рабочей (обслуживаемой) зоне помещения или на постоянных рабочих местах.

За рабочую (обслуживаемую) зону принимают пространство высотой 2 м от уровня пола или площадки, на которых находятся рабочие места. Для производственных зданий, в которых имеются рабочие места на отметках выше 2-х метров, рабочая зона принимается в пределах высоты 4 метра от уровня пола.

Комфортное состояние микроклимата и состояние человека во многом определяется характером теплообмена человека с окружающим его воздухом. Интенсивность теплоотдачи определяется, в свою очередь, совместным действием температуры, относительной влажности и подвижности воздуха.

Таким образом, к основным параметрам внутреннего воздуха относятся: - температура воздуха tв, °С;

62

-относительная влажность воздуха в, %;

-подвижность воздуха vв, м/с.

Часто в нормативных документах в качестве основы при выборе расчетных параметров

tR – радиационная температура в помещении, °С.

Под радиационной температурой понимают осредненную по площади температуру внутренних поверхностей в помещении.

В производственных зданиях в качестве расчетных параметров внутреннего воздуха рассматриваются:

-температура воздуха рабочей зоны tрз, °С;

-относительная влажность воздуха рабочей зоны рз, %;

-подвижность воздуха рабочей зоны vрз, м/с;

-концентрация вредных примесей в воздухе рабочей зоны Cрз, г/м3.

Концентрация примесей в воздухе рабочей зоны Cрз, контролируется для обеспечения ее значений, не превышающих ПДК.

Предельно-допустимой концентрацией (ПДК) называют концентрацию химического со-

единения, которая при ежедневном, в течение длительного периода воздействии на организм не вызывает в нем патологических изменений или заболеваний.

Кроме того, в производственных помещениях выбор параметров внутреннего воздуха зависит от интенсивности тепловыделений – теплонапряженности помещения.

Различают помещения, характеризуемые незначительными удельными избытками явной теплоты – не более 23 Вт/м3, и помещения со значительными удельными избытками явной теп-

лоты – более 23 Вт/м3.

В ряде нормативно-справочной литературы расчетные параметры внутреннего воздуха приведены для соответствующих периодов года:

-теплого (tн > +10 °С);

-переходного (tн = +10 °С);

-холодного (tн < +10 °С).

При выборе расчетных параметров необходимо также учитывать характер осуществляемой в помещении деятельности человека. Виды выполняемых работ принято оценивать по энергозатратам человека. В настоящее время принята следующая классификация категорий работ по

«степени тяжести». 1) Легкая работа:

1а) при энергозатратах человека qч 139 Вт;

1б) при энергозатратах человека 139 Вт < qч 174 Вт.

2) Работа средней тяжести:

2а) при энергозатратах человека 174 Вт < qч 232 Вт; 2б) при энергозатратах человека 232 Вт < qч 290 Вт.

3) Тяжелая работа: при энергозатратах человека qч > 290 Вт.

В зданиях различного назначения требуется создание и поддержание различного по уровню комфорта микроклимата. Обеспечение необходимых параметров достигается различными по назначению, устройству и степени сложности техническими устройствами.

63

С этой целью в зависимости от степени обеспеченности расчетные параметры внутреннего воздуха в нормативной и справочной документации подразделяются на оптимальные и допу-

стимые.

Оптимальными параметрами называют такое сочетание расчетных параметров внутреннего воздуха t, , v, при котором отсутствует напряженность в терморегуляции организма человека при соответствующем виде деятельности.

Оптимальные параметры обеспечиваются в помещении системами кондиционирования воздуха совместно с системами вентиляции в автоматическом режиме, что связано со значительными энергозатратами.

Допустимыми параметрами называют такое сочетание расчетных параметров внутреннего воздуха t, , v, при котором существует некоторая напряженность в терморегуляции организма человека, но не вызывающая профессиональных заболеваний. Допустимые параметры внутреннего воздуха обеспечиваются в помещении системами вентиляции.

1.3.5. Баланс вредных выделений в помещениях

Вредности, поступающие в воздушную среду помещения могут быть представлены (в зависимости от назначения помещения) избыточной теплотой, влагой и разнообразными вредными веществами в виде газов паров, пыли - все названные факторы можно обобщенно назвать вредными выделениями. Причем тепло и влага относятся к вредным выделениям условно. Так как определенный уровень их присутствия необходим, тепло и влага могут возвращаться в помещение с рециркуляционным воздухом, а также могут быть полезно использованы системами утилизации.

Для поддержания благоприятных условий требуется удалять вредные выделения, снижая их присутствие до допустимого уровня, собственно это и является основным назначением вентиляции.

Теплопоступления и теплопотери

Источники поступления теплоты в помещение разнообразны: люди, солнечная радиация, офисное и технологическое оборудование и др.

Конвективная теплота поступает с потоками воздуха над нагретыми телами, распространяется в объеме помещения, нагревает воздушную массу и, частично, ограждения и оборудование. Лучистая теплота от поверхности нагретых тел также сложным образом перераспределяется в помещении, поглощаясь и отражаясь от ограждений и оборудования, в итоге в значительной мере передается воздуху помещения. Конвективная и лучистая теплота – это поступления явной теплоты, которое в итоге приводит к увеличению температуры воздуха в помещении.

Кроме того, в воздушную среду помещения может поступать водяной пар, принося с собой скрытую теплоту, которая увеличивает энтальпию воздуха, не повышая его температуру. Суммарно поступления явной и полной теплоты составляют полные теплопоступления.

К потерям тепла помещения относятся: потери через наружные ограждения (трансмиссионные потери тепла), затраты тепла на нагревание инфильтрационного воздуха, затраты тепла на нагревание ввозимых холодных материалов, въезжающего холодного транспорта и др.

Теплоизбытками Q, Вт, называются разность всех суммарных поступлений и потерь тепла:

Вгодовом цикле в зависимости от климата, характера помещения и протекающих в нем технологических процессов теплоизбытки могут оставаться положительными, отрицательными или изменять свой знак.

Всоответствии с характером изменения составляющих, величина теплоизбытков изменяется и в течение суток.

Таким образом, поступления и потери тепла изменяются во времени, тем не менее, обычно применяется методика расчета стационарного теплового режима для наиболее важных и ха-

64

рактерных состояний. Как правило, за расчетные теплоизбытки принимается их максимальное значение в течение рабочего периода (сутки или часть суток).

Тепловой баланс обычно составляется для расчетных условий теплого и холодного периодов года. Положительное значение избытков полного или явного тепла служит исходной величиной для расчета воздухообмена, который должны обеспечивать системы вентиляции или кондиционирования воздуха. Отрицательное значение Q (теплонедостатки), является исходной величиной для расчета системы отопления (в том числе воздушного или совмещенного с вентиляцией).

Поскольку системы вентиляции и отопления совместно обеспечивают микроклимат, при расчете поступления тепла в холодный период года приходится учитывать теплопритоки от системы отопления.

В некоторых случаях тепловой баланс составляется и для переходных условий. Например, если воздухообмен определяется по избыткам тепла в теплый период года и

обеспечивается механической и естественной вентиляцией (аэрацией), расход воздуха механической приточной вентиляции следует рассчитывать по избыткам тепла, определенным по балансу для переходных условий, при которых аэрационный приток может быть недопустим.

Удельные теплоизбытки, отнесенные к единице объема помещения называются теплонапряженностью q, Вт/м3, – эта величина характеризует тепловую обстановку в помещении. Большая теплонапряженность характерна для горячих производств (литейных, термических цехов и др.), и может использоваться для приближенной оценки теплоизбытков в таких цехах.

Тепловой баланс обычно составляется для помещения, но в некоторых случаях и для отдельных зон помещения (рабочей зоны, верхней зоны, зоны вблизи кого-то оборудования). Так высокое помещение, по причине неравномерности распределения параметров внутренней среды, может разделяться на зоны по высоте, для каждой из которых составляется тепловой баланс.

Влаговыделения

Источниками выделения влаги в жилых и общественных зданиях являются люди, оборудование для приготовления пищи, горячая пища, открытые поверхности ванн и бассейнов для купания, плавания и др.

Впроизводственных помещениях - это различные технологические установки с открытой водной поверхностью (гальванические и травильные, промывочные ванны и др.), мокрые поверхности пола в моечных отделениях различных производств, неплотности оборудования, через которые пар поступает в помещение.

Ввоздушную среду помещения влага поступает в виде пара. Водяной пар транспортируется конвективными потоками в верхнюю зону, кроме того, влажный воздух, имеет меньшую плотность, чем сухой. Поэтому, более влажный воздух размещается в верхней зоне помещения.

Обычно задачей вентиляции является удаление излишней влаги, но в некоторых случаях,

65

особенно в холодный период года для поддержания требуемых условий воздушной среды может применяться дополнительное увлажнении воздуха.

В обычных помещениях, как правило, отсутствуют заметные поглотители влаги (сорбенты) и нормальный режим эксплуатации не предусматривает конденсации водяных паров в помещении, поэтому потери влаги как таковые отсутствуют, и термин влагонедостатки не находит применения.

Выделения вредных веществ

Вредные вещества могут поступать в воздушную среду помещения в виде газов, паров, пыли. В жилые и общественные помещения, как правило, в относительно небольшом количестве поступает углекислый газ (СО2) от дыхания людей. Поэтому качество вентиляции характеризуется в первую очередь способностью поддерживать его ограниченное присутствие.

В производственных помещениях в технологические процессы вовлечены весьма разнообразные вещества, которые различными способами могут поступать в воздушную среду помещения (через неплотности оборудовании, работающего под избыточным давлением, испаряясь с открытых поверхностей и др.).

Теплоизбытки, влаговыделения и выделения вредных веществ являются составляющими соответствующих балансовых уравнений, на основе которых рассчитывают воздухообмен.

Расчет теплопоступлений Теплопоступления от людей. От человека в помещение поступает конвективное и лучи-

стое тепло – явные теплопоступления, методика определения которых приведена в справочнике проектировщика по отоплению [20].

Кроме того, с выдыхаемой и испаряющейся с поверхности кожи влагой в воздух поступает скрытое тепло. Суммарные поступления явного и скрытого тепла составляют полные теплопоступления от человека. Интенсивность поступления тепла и влаги от человека в основном зависит от температуры воздуха в помещении и тяжести выполняемой работы (таблица 1.6).

В расчетах обычно принимают, что женщины в среднем выделяют 85 %, а дети 75 % теплоты и влаги, выделяемых взрослыми мужчинами.

Теплопоступления от искусственного освещения. Мощность устанавливаемых светильни-

ков зависит от требований к освещенности помещения. Вся затрачиваемая на освещение энергия, Nосв, кВт, в итоге переходит в тепло, Qосв, кВт, и поступает в помещение (за исключением небольшой доли тепла, затрачиваемой на нагрев ограждений и частично уходящей за пределы помещения). Поэтому в расчетах часто принимают количество теплоты от источников искусственного освещения равным:

В случае, когда светильники установлены не в самом помещении, а на техническом этаже, за остекленным ограждением и т. п., в помещение поступает только доля тепловыделений – видимая радиация (таблица 1.7).

По экспериментальным данным от люминесцентных ламп, установленных в чердачном перекрытии здания без светоаэрационного фонаря, около 40 % тепловыделений поступает в помещение, а 60 % – в пространство чердака.

66

Теплопоступления от солнечной радиации. Тепло солнечной радиации поступает в помещение через заполнение световых проемов и через массивные ограждения, и эти два пути поступления тепла принципиально отличаются. Интенсивность теплового потока, проникающего через остекление, изменяется по времени почти синхронно с изменением интенсивности потока солнечной энергии, падающей на остекление.

Поступление тепла через непрозрачные массивные ограждение происходит со значительным запаздыванием, зависящим от тепловой инерции ограждения, то есть от его массивности.

Оба вида поступления солнечного тепла существенно не стационарны, что в первую очередь связано с изменением интенсивности солнечной энергии в течение суток и в годовом цикле. Обычно расчет поступления тепла солнечной радиации ведется для безоблачного неба. Принципиально он может выполняться для любого времени года, но, прежде всего, такой расчет выполняется для расчетных параметров теплого периода года (июль).

Поступление тепла солнечной радиации через остекление. Количество тепла, Вт, посту-

пающего в помещение в расчетный час через остекление, площадью, Foc, м2, равно:

Qос = (qрад + qтеп)·Fос (1.31)

где: qрад, qтеп – интенсивности потоков солнечной энергии, передающейся через остекление за счет радиации и за счет теплопередачи, Вт/м2.

Для вертикального заполнения светового проема интенсивность радиационного теплового

67

потока, поступающего в помещение:

где qп, qр – соответственно, интенсивности прямой и рассеянной солнечной радиации, проникающей через одинарное остекление, величины зависящие от географической широты местности, ориентации остекления по сторонам света и расчетного часа, Вт/м2;

Kинс, Kобл – коэффициенты инсоляции и облучения, учитывают затенение остекления откосами окон, выступающими архитектурными элементами здания при различных углах падения солнечного луча относительно поверхности остекления;

Kотн – коэффициент, который учитывает долю проникающей в помещение солнечной радиации в зависимости от конструкции остекления, толщины стекла, наличия и видов солнцезащитных устройств, так Kотн = 1 для одинарного остекления без солнцезащитных устройств при толщине стекла 2,5…3,5 мм;

τ2 – коэффициент, учитывающий затенение светового проема переплетами, зависит от вида остекления, типа и материала переплетов, назначения здания.

Аналогичные по смыслу зависимости имеются для наклонного и горизонтального заполнения световых проемов.

Обусловленная теплопередачей интенсивность поступления тепла через остекление:

Roc – сопротивление теплопередаче заполнения светового проема, (м2 °С)/Вт; tн усл – условная наружная температура, °С.

Прямая и рассеянная солнечная радиация частично поглощается поверхностью остекления и нагревает ее. Под условной наружной температурой понимается температура наружного воздуха с учетом нагрева за счет поглощенной солнечной радиации

где S, D – соответственно, интенсивности прямой и рассеянной солнечной радиации, падающей на твердую поверхность, величины зависящие от географической широты местности, ориентации остекления по сторонам света и расчетного часа, Вт/м2;

Изменение температуры наружного воздуха в течение суток приближенно можно описать как гармоническое колебание около средней суточной температуры tн ср, °С, с амплитудой Аt, °С, величины которых можно определить по климатологическим данным:

где: Z и Zmax – соответственно, расчетный час, и время максимума температуры наружного воздуха, обычно принимается Zmax = 13 часов;

Из приведенных зависимостей видно, что величины интенсивностей радиационных потоков qп, q р , S , D, коэффициенты Kинс и Kобл, температура наружного воздуха tн существенно меняются в течение суток, поэтому расчет поступления тепла через остекление ведется по часам в пределах рабочего времени.

Теплопоступления от остывающего материала. Если материал при остывании твердеет,

то есть переходит из жидкого состояния в твердое, то количество теплоты, Вт, поступающей в

где: сж, см – теплоемкость соответственно материала в жидком и твердом состоянии, кДж/(кг∙°С); t1, t2 – соответственно начальная и конечная температуры остывающего материала, °С;

tпл – температура фазового перехода, °С;

68

rпл – теплота фазового перехода (скрытая теплота плавления или твердения), кДж/кг; Gм – расход остывающего материала, кг/ч.

Зависимость (1.38) справедлива при остывании материала более 1 часа. Если время остывания материала менее 1 часа, то количество теплоты, поступающей в помещение, рассчитывает-

где: В – коэффициент, характеризующий изменение интенсивности теплообмена в течение первого часа остывания материала. Значение коэффициента В зависит от теплофизических свойств, формы, размеров и продолжительности остывания материала.

Если материал при остывании остается в одном агрегатном состоянии, то количество теп-

При остывании материала в помещении более одного часа коэффициент В=1.

Теплопоступления от дежурного отопления. Дежурным называется отопление, предназна-

ченное для поддержания температурных условий в помещениях ниже нормируемых, но не ниже минимально допустимых в период, когда здания не используются (жилые и общественные здания) и в нерабочее время (производственные здания).

В нормативных документах рекомендуются следующие значения минимальных температур воздуха:

+5 °С – для производственных зданий; + 12 °С – для общественных и административно-бытовых зданий; +15 °С – для жилых зданий.

Количество теплоты, поступающей от дежурного отопления определяют по формуле:

Qдеж.от Qогр Qi tдеж.от tн , (1.41)

tв tн

где Qогр – суммарные теплопотери через ограждающие конструкции, Вт;

Qi – суммарные теплопотери на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха, Вт;

tдеж.от, tн – температуры воздуха помещения в режиме дежурного отопления и наружного воздуха соответственно, °С.

Расчет теплопотерь

Значительную долю теплопотерь в общем тепловом балансе зданий составляют теплопотери через наружные ограждения и теплопотери на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха, методика расчета которых подробно рассмотрена в разделе 3 «Проектирование, монтаж и эксплуатация систем отопления».

Теплопотери на испарение жидкости с открытой поверхности холодных ванн. Данный вид теплопотерь актуален для производственных помещений, в которых имеются ванны с «холодными» растворами. Ванна считается холодной, если температура жидкости равна температуре воздуха внутри помещения или близка к ней.

В процессе испарения жидкости с поверхности зеркала раствора в ваннах, не имеющих бортовых отсосов, явная теплота трансформируется в скрытую для фазового перехода, поэтому температура поверхности жидкости меньше температуры окружающего воздуха.

Количество теплоты, необходимой для испарения жидкости с поверхности растворов хо-

Температура поверхности жидкости принимается равной температуре мокрого термомет-

ра tпов = tм.т.

Теплопотери на нагрев транспорта. Количество теплоты, затрачиваемое в помещении на

69