ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ПАНЕЛЬНО­ЛУЧИСТОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Особенности микроклимата при лучистом охлаждении (отоплении)

В отличие от систем панельно-лучистого отопления, использование систем панельного охлаждения не нашло пока достаточного обоснования. Сказанное относится, прежде всего, к рассмотрению гигиенических аспектов. В достаточно многочисленных исследованиях гигиенистов и инженеров приводятся данные оценки комфортности тепловой обстановки применительно к обогреву помещения. В то же время отсутствуют в явном виде сведения о радиационном балансе организма человека при панельно-лучистом охлаждении. Освещая основной вопрос - о допустимой температуре охлаждающей поверхности, авторы публикаций рекомендуют принимать ее несколько выше температуры точки росы.

В таблш$е 1.2 приведены усредненные (по данным Адольфа, Бартона, Витте, Кандрора, Уинслоу и Херингтона) значения теплопродукции для условий помещения в холодный период года со следующими параметрами микроклимата [115]:

-te=10-20 °С;

- (рв=40 - 80 %о

- ve=0,l - 0,8 м/с.

Температура воздуха, по данным Н. К. Витте, на теплопродукцию влияет незначительно: при температуре воздуха в пределах 10-24 °С теплопродукция не изменяется, при температуре 35 °С - повышается на 7 %, при температуре 45 °С - на 11 %. Регулирование температуры тела осуществляется посредством изменения теплопродукции и теплоотдачи. Процессы, связанные с изменением

теплопродукции, называют химической терморегуляцией, а процессы управления теплоотдачей — физической терморегуляцией.

Продуцируемое организмом тепло отводится в основном с поверхности кожи, ее температура тесно связана с теплопродукцией среды в помещении, однако, степень дискомфорта она отразить не может [31].

Гигиенистами установлено, что наиболее показательной в этом отношении является температура кожи лба и груди. В таблице 1.3 приведены усредненные значения зависимости теплоощущения от температуры кожи лба, груди и тела для условий производственного помещения в холодный период года [122].

Характер физической деятельности человека учитывается путем умножения теплоотдачи человека при покое в комфортных условиях тепловой обстановки помещения (^+Кч) на полученный опытным путем коэффициент Кр, учитывающий возрастание теплообразования по сравнению с состоянием покоя. Значения коэффициента равны: при очень легкой работе Кр=1,35; при легкой

работе Кр=1,95 при работе средней тяжести Кр=2,73 при тяжелой работе Кр=5,63 [17].

Наиболее точно теплоощущения человека в комфортных условиях помещения при радиационном отоплении производственных помещений (Ve=0,l±0,5 м/с; (р=50±10%) определяются формулой Мачкаши, получившей опытное гигиеническое подтверждение [17]:

tp=0,45tR + О,55te, (1.5)

Условия комфортности температурной обстановки в помещении могут быть выражены также через оптимальные (или допустимые) параметры поля лучистой энергии, образуемого в помещении источниками лучистого тепла и определяющего совместно с te и (рв равновесное тепловое состояние человека и комфортное тепловое ощущение им окружающей среды. Впервые такой подход к нормированию параметров микроклимата помещения был предложен Е. А. Насоновым, использовавшим в ряде своих работ в качестве основной характеристики радиационного режима помещения значение энергетической освещенности в объеме помещения [77]. На основании многочисленных экспериментальных исследований Институтом общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР (Ю. Д. Губернский и др.) разработаны нормативы оптимальной облученности (энергетической освещенности) человека в условиях помещения. Результаты гигиенических исследований свидетельствуют, что вне зависимости от вида отопления и назначения помещения, максимум оценок температурной обстановки в помещении, определяемых критерием “комфортная”, приходится на поле лучистой энергии с параметрами энергетической освещенности (облученности) изменяющимися в диапазоне от 406-410 Вт/м2 (tR=17,8-18,6 °С) до 412-413 Вт/м2 (tR=18,9-19,1 °С).

При расположении человека в зоне воздействия греющих поверхностей, по данным Института общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР, максимальная облученность поверхности головы не должна превышать 440 Вт/м2.

Полученные расчетным путем значения теплоотдачи излучением поверхности головы человека в условиях комфортной температурной обстановки (33 Вт/м2 и 16 Вт/лі2) согласуются с опытными данными М. С. Горомосова, Н. А. Ципера и других гигиенистов, в соответствии с которыми излучение с кожи человека в условиях комфорта при конвективном отоплении составляет ~ 29 Вт/м2, а при радиационном ~ 18 Вт/м2 [32].

Теоретически и экспериментально установлено, что механизм воздействия радиационной энергии на человека имеет принципиальные особенности: радиационная энергия обеспечивает не только периферийный нагрев кожи человека, но и частично проникает в ткани поверхностного слоя кожного покрова и, превращаясь в тепло, оказывает положительное влияние на тепловое состояние, центральную нервную систему, кровообращение, органы зрения и другие важнейшие функции жизнедеятельности человека [26, 31, 32, 56, 87]. Однако как показывает результаты гигиенических исследований, тепловые аспекты далеко не полностью определяют качество микроклимата. Очень важным является также характер влияния механизма теплопереноса, формирующего тепловую обстановку в помещении, на физико-химические свойства воздушной среды, определяемые, в основном, ионным составом воздуха.

Воздух помещений и объектов с достаточно продолжительным пребыванием людей, как показали современные медико-биологические исследования [19], должен быть не только чистым, но и свежим. Одним из главных, синтезирующих показателей чистоты и свежести воздушной среды, является ионный состав воздуха, определяемый количеством и структурой аэроионов в единице объема воздуха.

Приоритет в исследовании физиологического воздействия ионов воздуха на организм человека, а также идеи широкого использования аэроионизации в народном хозяйстве принадлежит профессору A. JI. Чижевскому [118, 119]. Энергия внешнего поля, необходимая для осуществления процесса ионизации воздуха, определяется выражением:

Pi=eVh (1.6)

где:

е - заряд электрона;

V - ионизационный потенциал.

При радиационном отоплении объем помещения насыщен различными излучениями, в том числе ультрафиолетовыми, которые, взаимодействуя с воздухом, формируют его ионный состав, резко отличающийся от состава воздуха помещения при конвективном отоплении.

С целью подтверждения этого предположения А. А. Худенко совместно с кафедрой общей и радиационной гигиены Киевского ордена Трудового Красного знамени медицинского института имени академика А. А. Богомольца проведены экспериментальные исследования аэроионного режима помещения при радиационном отоплении. Для этого в специальном испытательном помещении поддерживали параметры микроклимата, характеризуемого примерным равенством средней радиационной температуры и температуры воздуха при относительной влажности его 50 ± 10 % и скорости движения 0,5 м/с. Средний уровень облученности 380 Вт/м2. Количество легких отрицательных ионов в воздухе помещений при радиационном отоплении значительно превзошло соответствующие показатели для конвективного отопления. Результаты исследования свидетельствуют о благоприятном воздействии радиационного теплопереноса на состав воздушной среды помещения.

Картина чувствительности человеческого тела лучистому теплообмену по исследованиям Б. М. Тверской [57] показана на рисунке 1.15, из которого видно, что при постоянной температуре воздуха изменение температуры поверхности даже на 2 °С в сильной степени влияет на субъективное ощущение человеком комфортности окружающей среды. Аналогичную картину дают и исследования

Н. К. Пономаревой [88].

зо

Холодно Прохладно Приятно Очень Жарко

тепло

Рис. 1.15. Влияние радиационной температуры на тепловые ощущения человека

Профессор В. А. Левицкий [56] также считал, что действие лучистого тепла в определенных пределах может оказывать на организм благоприятное влияние, проникая внутрь тканей и повышая их функциональный тонус.

С помощью радиаторов удается обеспечить возмещение потерь тепла помещениями при заданной температуре внутреннего воздуха, но нельзя создать в этих помещениях требуемых оптимальных комфортных условий для человека. Это происходит вследствие того, что из общего количества тепла, передаваемого радиатором в помещение, только около 27 % передается излучением, а оставшиеся 73 % - конвекцией. При этом около половины тепла, излучаемого радиатором, попадает на наружную стену, у которой он установлен, увеличивая температуру ее поверхности и увеличивая тем самым теплопотери помещения. Если же некоторая часть из этого тепла и поступает в помещение, то только в виде конвективного тепла. Если же нагретый прибор большую часть тепла передает воздуху помещения, то в таком помещении не могут быть созданы условия, при которых человек находился бы в окружении более теплых стен и более холодного воздуха. В этих условиях может быть обеспечен теплосъем с

человеческого тела, но приятного, комфортного ощущения в таком помещении человек не получит.

Гигиенические особенности системы панельно-лучистого охлаждения состоят в том, что при наличии в теплое время года в помещении развитой охлаждающей поверхности интенсифицируется лучистый теплообмен организма человека с внутренними поверхностями. Известно, что для ощущения теплового комфорта человек должен отдавать тепло конвекцией и излучением в определенной пропорции.

При проектировании систем панельно-лучистого обогрева-охлаждения условия комфортности тепловой обстановки оценивается двумя факторами:

- соотношением температуры воздуха, радиационной температуры и результирующей температуры помещения tB;tR;tn,°C;

- минимально допустимой средней температурой охлаждающей поверхности /о0С.

Первый фактор устанавливает комфортное сочетание видов теплоотдачи человека, второй - допустимый баланс лучистого теплообмена на поверхности человека и температуру в пограничных зонах.

Рис. 1.16. Сочетания температур

воздуха tB и радиационной tR, °С:

1- ощущение человеком жары;

2- зона комфортного ощущения;

3- ощущение холода.

На рис. 1.16 показана зона ощущения теплового комфорта по данным Гайя [17]. Часть зоны комфортного теплоощущения в переделах tB-25-30 °С,

Рис. 1.18. Диаграмма комфорта Фангера для легко одетых людей (0,5 кло): te - температура воздуха,

- радиационная температура;

а) состояние покоя; б) средняя физическая нагрузка.

Линия, сверху ограничивающая зону комфорта на рис. 1.16, в пределах tB =24-30 °С описывается линейной зависимостью относительно радиационной температуры tR, °С, и результирующей температуры помещения tn, °С :

tR =63.8-1;15tB, °С (1.7;

(tn = 0.5tB + 0.5/д), °С

tn =31,9-0.38/д, °С (1.8)

Аналогичный вид имеет функция радиационной температуры, соответствующая тепловому комфорту на рис. 1.17:

tR =76.5-1.83/д, °С (1.9)

t„ = 38.5-0.42/в, °С (1.10)

Аппроксимация линий на рис. 1.18 и 1.19 имеет вид:

- для легко одетых людей в интервале при tB=24-30 °С (рис. 1.18):

а) в состоянии покоя при подвижности воздуха 0.3 м/с:

tR = 87.8-2.2fe, °С (1.11)

t„ =43.9-0.6^, °С (1.12)

- то же при подвижности воздуха 0.2 м/с:

tR=73.9-l.75tB, °С (1.13)

tn = 37-0.37/в, °С (1.14)

б) при средней физической активности, температуре воздуха 22-26 °С и подвижности воздуха 0.2 - 0.3 м/с:

tR =60.8-1.87fa, °С (1.15)

t„ =30.4-0.47/в, °С (1.16)

- для нормально одетых людей при температуре в интервале tB =24-30 °С (рис. 1.19):

а) в состоянии покоя при подвижности воздуха 0.3 м/с:

tR=90.9-2.44tB,°C (1.17)

t„ =45.5-0.72/в, °С (1.18)

- то же при подвижности воздуха 0.2 м/с:

tR =75.4-1.9tB, °С (1.19)

tn =37.7~0.45tB, °С (1.20)

б) при средней физической активности при температуре в интервале tB =17-22 °С и подвижности воздуха 0.3 м/с:

tR =50.4-2ffl, °С (1.21)

tn =25.2-0.5tBi °С (1.22)

то же при подвижности воздуха 0.2 м/с:

tR =43.7-1.67tB, °С (1.23)

tn =21.9-0.34rB, °С (1.24)

Для отыскания комфортного сочетания температуры в помещении в теплое время года В. Н.Богословский [22] предлагает следующую зависимость:

tR =.Stn -0.5^, °С (1.25)

которая при tn =25, °С преобразуется к виду:

tR=37.5-0.5tB,°C (1.26)

Исходя из баланса лучистого теплообмена, допускающего интенсивность лучистого теплового потока, уходящего с поверхности головы человека от 11.6 до 69.6 Вт/м, В. Н.Богословский предлагает формулу для определения допустимой минимальной температуры охлаждающей поверхности в теплое время года:

(0=23--,°С, (1.27)

<р

где:

(р - коэффициент облученности с головы человека на охлаждающую поверхность.

При панельно-лучистом охлаждении кабины поста управления в горячих цехах A. JI. Наумов [78] предлагает следующее сочетание радиационной температуры и температуры воздуха:

tR =46-0.7-Гв-0.02-9, °С, (1.28)

где:

q - проникающее тепловое облучение, Вт/м.

В условиях жаркого климата верхняя граница зоны летнего теплового комфорта при радиационном охлаждении установлена экспериментальными исследованиями [38]:

tR =38.1-0.49^, °С (1.29)

В СНиП 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» приведена номограмма для расчета температуры воздуха помещения и поверхности лучистого нагревателя или охладителя в зависимости от нормируемой в рабочей зоне температуры воздуха. Номограмма представлена на рис. 1.20.

Рис. 1.20. Номограмма для расчета температуры воздуха в помещениях

tn - нормируемая температура на постоянном рабочем месте в производственном помещении;

D, О, X - линии перелома для определения температуры воздуха помещения tp при нормируемых допустимых D и оптимальных О температурах воздуха и нагревании тела рабочего лучистым нагревателем с температурой поверхности ts и при нормируемых оптимальных X температурах воздуха и охлаждении тела рабочего лучистым охладителем с температурой поверхности ts;

Di - D4, О і - О4 это линии перелома для определения температуры поверхности лучистого нагревателя, соответствующие допустимым и оптимальным температурам воздуха на рабочем месте при расположении нагревателя сверху Dj, О], сбоку С ОДНОЙ стороны D2, С>2, сбоку с двух сторон D3, Оз и сбоку с трех сторон D4, 04

Xj - Х4 это линии перелома для определения температуры поверхности лучистого охладителя при указанном выше расположении поверхностей.

При охлаждении помещения поверхностью эквивалентная температура воздуха на 2 °С выше нормируемой температуры воздуха в рабочей зоне:

tB'P=tB+2QC (1.30)

Допустимая температура охлаждающей поверхности равна:

t0=tBP-At0,°C (1.31)

Перепад температуры At0 определяется расположением охлаждающих поверхностей в помещении и равен (рис. 1.20):

- в потолке: Д^0 =20 °С ;

- сбоку с одной стороны: At0 =9 °С;

- сбоку с двух сторон: At0=6 °С;

- сбоку с трех сторон: At0=5 °С.

При этом поверхностная плотность лучистого теплового потока на рабочем

Л

месте не должна превышать 35 Вт/м.

Рис. 1.21. Сочетание температур воздуха и помещения, соответствующие ощущению теплового комфорта:

1 - зона комфорта по данным [3]; 2 - зона комфорта для состояния покоя и легкой работы человека по данным [1]; 3 - формула (1.16); 4 - формула (1.8); 5 - формула (1.22); 6 - формула (1.24)

На рис. 1.21 показано обобщение приведенных выше данных. Следует отметить, что данные, квалифицированные на рис. 1.18 и 1.19 как состояние покоя человека (отношение метаболического тепла к поверхности теплообмена организма человека равно 58 Вт/м ), могут быть распространены на категорию

Л

легкой работы (выделение полного тепла примерно 70 Вт/м ).

На рис. 1.21. линиями 1 показана зона комфортного сочетания, которая на рис. 1.17 представлена зоной 4. Внутри нее выделена зона комфортного сочетания температуры 2, обобщающая данные зависимостей: (1.7), (1.10), (1.12), (1.14), (1.20), которые соответствуют состоянию покоя и легкой работы человека для двух видов одежды и разной подвижности воздуха.

Таким образом, предлагаемая зона 1 в достаточной степени отражает данные о комфортном сочетании температуры воздуха и температуры помещения для общественных зданий и не противоречит требованиям СНиП 2.04.05-91.

Второе условие комфортности тепловой обстановки при ПЛО состоит в определении минимальной температуры охлаждающей поверхности. Отметим, что речь должна идти о средней температуре всей охлаждающей поверхности, кроме случая оценки минимальной локальной температуры на поверхности, которая по СНиП 2.04.05-91 должна быть выше температуры точки росы не менее, чем на 1 °С.

Оценим величину минимальной температуры, исходя из радиационного баланса. При расположении человека под серединой охлаждающего потолка размером 3,5 на 5,6 м и высоте помещения 3,3 м коэффициент облученности с поверхности головы человека на панель в формуле (1.27) равен 0.7 и

t0 =23-~—15.9 °С. Т. е. перепад температуры воздуха и поверхности потолка 0,7

около 70 °С.

В качестве рекомендуемой величины можно использовать минимальную температуру поверхности, регламентируемую СНиП 2.04.05-91 и определенную зависимостями (1.30) и (1.31) по данным рис. 1.20. На минимальную температуру вертикальных панелей налагается дополнительное требование не допускать
переохлаждения воздуха у пола помещения (на расстоянии 1 м от панели) более, чем на 2 °С ниже нормируемой температуры. Оценим возможность такой ситуации.

По данным [86] максимальная осевая скорость в конвективной струе, ниспадающей вдоль охлаждающей вертикальной поверхности (рис. 1.22), определяется по формуле:

F = 0.07 (qKXf33 ,м/с, а соответствующая избыточная температура на оси струи равна:

(1.33)

где:

qK - плотность конвективного теплового потока, проходящего из воздуха на

2

поверхность и постоянного по длине панели, Вт/м ; X - высота панели, м.

Ширина струи в сечении Y: В-0.14 X, м.

превышает общую нормируемую подвижность воздуха 0.3 м/с, а температура в струе ниже температуры воздуха на 1.6 °С. При этом расстояние от поверхности до оси струи оказывается существенно меньше 1 м, т. е. ось струи лежит за пределами обслуживаемой зоны.

Общим ограничением температуры поверхности панели служит значение температуры точки росы. Величина температуры точки росы в интервале температуры воздуха 22-30 °С и относительной влажности (р—40-60 % аппроксимируется линейной зависимостью с погрешностью не более 2 %

tmp =(0.84 + 0.17-p)-fa +27.2-Р-23.1, °С, (1.35)

где относительная влажность принята в долях единицы.