Гидравлика систем отопления и охлаждения

ТЕПЛОВОЙ КОМФОРТ

Значительная часть жизнедеятельности человека происходит в по­мещении. От состояния микроклимата в помещении во многом зависит его здоровье и работоспособность (рис. 1.1), что отражается на соб­ственном бюджете, бюджете семьи и государства, поэтому поддержание теплового комфорта является как государственной задачей, так и зада­чей каждого человека.

Повышение общего уровня жизни ставит перед специалистами все новые требования к системам обеспечения микроклимата. Эти требова­ния имеют некоторые отличия, вызванные этническими, национально - географическими и социально-экономическими особенностями. Однако существуют тенденции сближения в понимании и выработке общеприня­тых основных требований к тепловому комфорту помещений. Результа­том международного сотрудничества правительственных и обществен­ных организаций стал норматив ISO 7730: 1994(E) [3], определяющий тепловые условия окружающей среды, к которой привыкли люди (рис. 1.2). Приведенные оптимальные температуры помещения предназначены для здоровых мужчин и женщин. Они основаны на северо-американских и европейских показателях. Хорошо согласуются с японскими исследова­ниями. Сопоставляются с российскими нормативами. Однако для боль­ных и недееспособных людей эти данные могут иметь отклонения.

Указанный стандарт предназначен для производственных помеще­ний, но в равной степени может применяться и для любых других поме­щений. Для экстремальных тепловых сред используют международные стандарты [4; 5].

В основу диаграммы на рис. 1.2 положены исследования О. Фанге - ра по теплоощущению большинства людей при разнообразных видах

деятельности (сон, отдых, умственная работа, физическая нагрузка раз­ной интенсивности) и при различных температурных условиях поме­щения с учетом теплоизоляционных свойств одежды.

Зависимость состояния организма от вида деятельности определена через тепловыделение человека. Этот процесс оценивают показателем "met" (метаболизм — выделение теплоты внутри организма). В соответ­ствии с ISO 8996 активность человека, находящегося в расслабленном состоянии либо в положении сидя, характеризуют 1 met = 58 Вт/м2; в на­клонном положении при наличии опоры — 0,8 met; в сидячем положении при выполнении офисной или домашней работы — 1,2 met и т. д.

Выделение теплоты человеком в окружающую среду с учетом те­плоизоляционных свойств одежды характеризуют показателем "clo" (clothing — одежда). 1 clo равен 0,155 м2К/Вт и соответствует рабочей одежде, состоящей из легкого нижнего белья, носок, рубашки, брюк, костюма, туфель.

Человеческий организм находится в постоянном взаимодействии с окружающей средой. Изменение ее тепловых условий приводит к авто­матическому приспособлению температурного и влажностного состоя­ния кожи вследствие действия системы терморегуляции организма, но каждый организм индивидуален. Тепловые ощущения в большей или меньшей степени отличаются от нормативных среднестатистических показателей микроклимата в помещении. Неудовлетворенность может являться результатом теплого или прохладного дискомфорта тела в це­лом, который характеризуют ожидаемым значением теплоогцугцения PMV (Predicted Mean Vote) и прогнозируемым процентом неудовле­творенности PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied). Субъективное состояние психологического теплоогцугцения человека оценивают следующей шкалой значений PMV:

Эти показатели используют совместно с нормированными парамет­рами микроклимата для оценки работоспособности системы отопления или кондиционирования воздуха и необходимости реагирования на жа­лобы потребителей. Кроме того, традиционное сочетание параметров теплового комфорта помещения — температуры воздуха, радиационной температуры помещения, скорости движения и влажности воздуха — в ISO 7730 дополнено моделью оценки сквозняка, влиянием степени турбулентности воздушных потоков, радиационной асимметрией. По EN 1264 [6] нормируется перепад температур воздуха между лодыжкой и головой человека посредством предельной температуры пола. Но сколько бы ни нормировались влияющие параметры теплового ком­форта, удовлетворить каждого человека невозможно, поэтому предлага­емые условия теплового комфорта считаются приемлемыми для 90 % людей с условием, что 85 % из них не обеспокоены сквозняком.

Несмотря на сложность и неоднозначность подходов к обеспечению теплового комфорта, специалистам по системам обеспечения микроклима­та необходимо создавать и поддерживать его, удовлетворяя требования большинства людей к помещению. В то же время следует дать возмож­ность человеку, находящемуся в предназначенном для него помещении, из­менять тепловые условия в соответствии с собственным теплоощущением. При этом следует осознавать, что тепловой комфорт является дорогостоя­щим товаром, который не должен снижать жизненный уровень человека.

Поставленную задачу решают путем создания гибких в управлении систем обеспечения микроклимата. Таковыми являются только автома­тически управляемые системы с индивидуальными регуляторами тем­пературы помещения (терморегуляторами). Основное функциональное требование к ним определяется условием теплового комфорта: поддер­жание заданной оптимальной температуры помещения в допустимых пределах ее отклонения (диаграмма на рис. 1.2). Однако такой подход сегодня сложен в исполнении. Причиной тому является техническая трудность определения температуры помещения.

Под оптимальной температурой помещения tsu подразумевают ком­плексный показатель радиационной температуры помещения tr и тем­пературы воздуха в помещении /, позволяющий прогнозировать удовле­творенность тепловым комфортом не менее 90 % людей при умеренной (рекомендуемой) подвижности воздуха. Для большинства помещений этот показатель определяют уравнением:

Ки »(/,- + /)/2. (1.1)

Физиологический смысл уравнения заключается в поддержании стабильного теплообмена между человеком и окружающей средой (0=const). Для человека, выполняющего легкую работу с расходом те­пловой энергии примерно до 170 Вт (W), данное уравнение предста­влено в графическом виде на рис. 1.3 [1; 7; 8]. Линейная зависимость между tr и t позволяет производить терморегуляторы, реагирующие только на температуру воздуха. Этот подход приемлем для большин­ства помещений с конвективным нагревом или охлаждением, где tr ~ t. В помещениях со значительной площадью наружных ограждений, ли­бо с системой отопления (охлаждения), встроенной в ограждающие строительные конструкции, пользователь может настроить терморе­гулятор под свои теплоогцугцения с учетом несовпадения tr с /. Такая особенность поддержания теплового комфорта является одной из причин нанесения производителем на температурную шкалу терморе­гулятора не конкретных значений температуры воздуха в помещении, а определенных меток. Их ориентировочное соответствие показано на рис. 1.4.

Учет влияния температуры воздуха и температуры ограждающих конструкций на теплоощущения человека дает возможность дополни­тельной экономии энергоресурсов лучистыми и конвективно-лучисты­ми системами отопления (охлаждения) по сравнению с конвективными системами. Тепловой комфорт обеспечивается такими системами при меньших температурах воздуха в холодный период года (например, при /=18 °С, если tr = 22 °С) и больших температурах воздуха в теплый пе­риод года (например, при t = 22 °С, если tr = 18 °С). Получаемое умень­шение разности температур наружного и внутреннего воздуха сокраща­ет теплопотери в холодный период и теплопоступления в теплый пе­риод года через ограждения. Происходит также сокращение энергопо­терь с вентиляционным, эксфильтрационным и инфильтрационным воздухом.

б

Рис. 1.4. Температурная настройка терморегуляторов: а - RTD лля систем отопления; б - FED+RA-C(N) лля систем охлажления

Терморегулятор реагирует на изменение температуры воздуха, но поле температур в помещении очень неравномерно, особенно в верхней и нижней зонах, поэтому терморегулятор необходимо размещать таким об­разом, чтобы он воспринимал осредненное значение температуры воздуха.

Распределение температуры воздуха по высоте помещения показа­но на рис. 1.5. На всех графиках сплошной линией изображено идеаль­ное распределение. Температура у ног человека равна примерно 26 °С, а у головы — примерно 20 °С.

Рис. 1.5. Влияние способа отопления на распределение температуры воздуха по высоте помещения [9; 10]: 1 - илеальное распреле - ление температуры возлуха

При использовании радиаторов для отопления перегревается верх­няя зона помещения, что увеличивает теплопотери через наружные ограждающие конструкции. Теплопотери увеличиваются также с вен­тиляционным воздухом, т. к. решетки для его удаления расположены в этой зоне. Еще больший перегрев верхней зоны происходит при использовании конвекторов. Примерно аналогичное распределение температур есть в помещении с системой отопления, выполненной в виде нагреваемого потолка, либо с воздушным отоплением, в том числе и фенкойлами.

Наиболее близкими к обеспечению идеального распределения температур являются системы с нагреваемым полом в холодный период года и с охлаждаемым потолком в теплый период. В первом случае теплый поток воздуха поднимается от пола вверх и охлаждается за счет теплопотерь помещения. Во втором — прохладный поток воздуха опу­скается от потолка и нагревается за счет теплопоступлений помещения. В обоих случаях создаются комфортные условия для человека.

Тепловой комфорт в помещении достигают только при использова­нии автоматизированных систем обеспечения микроклимата, основным элементом которых является терморегулятор.

Терморегулятор должен поддерживать температуру воздуха в помещении с отклонением не более чем по ISO 7730.

Наиболее близкими к обеспечению идеальных условий теплового ком­форта в помещении являются системы с нагреваемым полом в холод­ный период года и с охлаждаемым потолком в теплый период года.

Для невысоких помещений наиболее приемлемой с экономической и санитарно-гигиенической точек зрения является система отопления с панельными радиаторами.