МИКРОКЛИМАТ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

УЛУЧШЕНИЕ МИКРОКЛИМАТА ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

Я. Д. ПЕКЕР

Рост материального благосостояния стсаны и широкий раз­мах строительства требуют повышения степени коммунально­бытового обслуживания трудящихся и, в частности, улучшения условий микроклимата помещений, в которых человек проводит большую часть своей жизни.

Одним из важных факторов повышения степени комфорта является искусственный климат, содействующий нормальной жизнедеятельности человека.

Для южных районов страны становится актуальной и на­сущной проблемой кондиционирование воздуха в жилых и граж­данских зданиях.

Избавить человека от духоты и перегрева в жаркие летние дни. наряду с созданием комфортного режима в течение всего года, это значит сократить болезни и, в конечном счете, прод­лить жизнь человека.

Применение различных средств защиты от неблагоприятных условий и систем искусственного климата позволит значительно улучшить микроклимат помещений.

Предлагаемый метод определения летних тепловых нагрузок по часам' дня с учетом температуры наружного воздуха, перио­дичности облучения солнцем наружных ограждений и сдвига фаз (запаздывания) теплопоступленнй из-за тепловой инерции позволяет с достаточной точностью рассчитывать системы ох­лаждения.

Для улучшения микроклимата помещений большое значение имеет использование систем отопления для охлаждения поме­щений и применение систем с комнатными климатическими при­борами. Широкое внедрение в практику нашего строительства климатических приборов связано с проблемой развитого центра­лизованного теплохладосиабження. Поэтому, кроме разработки различных климатических приборов и систем искусственного климата, для их успешного внедрения большое значение имеет наличие дешевых источников холода.

Система искусственного климата должна противопоставить возмущающему действию наружных и внутренних тепловых воз­действий такие же воздействия (с учетом теплотехнических ка­честв помещений), но с противоположным знаком. Таким обра­зом, при динамическом равновесии не будет нарушения термо­регуляции человека. Теплопродукция, вырабатываемая челове­ком в результате обмена веществ Т, тратится испарением QH, излучением и конвекцией QK

T = QK + Q., + Q„. (3)

В обычных условиях тепло удаляется из организма в основ­

ном путем излучения и конвекции и значительно меньше испа­рением влаги (до 25%). Теплоотдача поверхностью одежды че­ловека и открытых частей его тела в окружающую среду кон­векцией и излучением может быть определена по следующим известным выражениям:

Qk = aK • FK • (*ч — tB) вт; (4)

273 +1 ‘ ( 273 + t

Q,=zu-C0-Fa

100

где QK и -—количество тепла, отдаваемое телом человека со­

ответственно конвекцией н лучеиспусканием:

FK и Fj —усредненные поверхности человека, отдающие тепло в окружающую среду конвекцией (FK = = 1,85 иг2) м излучением (/Г, = 1,5 лг2); ак —-коэффициент теплоотдачи конвекцией, втім2 У У. град.

Заменив конвективные теплопотери тела человека конвектив­ной теплоотдачей цилиндра, «к определяется из критериального уравнения для условий свободного движения жидкости в неог­раниченном пространстве;

t4—средняя температура одежды человека и обнаженных частей тела (t,,— 26°);

—температура воздуха в помещении;

—приведенная степень черноты системы тел.

Для системы взаимооблучающихся тел при лучистом тепло­обмене между двумя поверхностями в замкнутом пространстве, когда одна из поверхностей облекает другую,

1 (6)

Ч--1)

>М I I

1

F

-1 ' пом

Так как отношение поверхности тела, отдающего тепло радиа­ны

циеи, к площади помещения ------ является величиной незна-

F

* поы

чительной, то можно считать є„ = £i = 0,93, что соответствует сте­пени черноты строительных материалов и тканей.

Со—коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; С0 = 5,7 вт/м2-град К4;

/ср. огр—средняя поверхностная температура ограждений (стен, окон, пола, потолка), град С.

F.

ООЩ

где /с , /ок, /пол, /пот—поверхностная температура ограждений

(стен, окон, пола, потолка);

Fc, Fok. Спот, Спот—поверхность соответствующих огражде­нии, м2;

F 0бщ —сумма всех ограждающих поверхно­стей, м2.

Для обеспечения условий комфорта в спокойном состоянии суммарная теплоотдача человеческого тела конвекцией и излу­чением должна составлять в среднем 100 вт.

Qcvm = Qk 4- <2л = 100 вт.

Подставляя соответствующие значения в формулы 4 и 5, решая совместно уравнения 4, 5 и 8 для жилых и общественных зда­нии с обычной относительной влажностью и подвижностью воз­духа, получим комфортную температуру при

(9)

Для ограждающих поверхностен и воздуха помещения мож­но составить систему уравнений теплового баланса.

Интегральное уравнение конвективного и лучистого тепло­обмена поверхностей наружных ограждений составляется на ос­новании баланса тепловой энергии. Теряемое-наружной стеной тепло должно быть равно поглощенному ею теплу внутренней по­верхностью ог лучистого потока всех других поверхностей поме­щения минус собственное излучение поверхности и плюс конвек­тивное тепло, полученное ограждением от воздуха помещения:

(10)

где aJJ и &”—коэффициент наружного теплоперехода конвек­цией и излучением, втім2'град; т"с —температура наружной поверхности наружной стены;

/и и ^окр —температуры наружного воздуха и окружения, град С;

£®с —степень черноты внутренней поверхности наруж­ной стены;

Е* —эффективное излучение поверхности внутренних стен, вт/м2

?п—н с —угловой коэффициент лучистого теплообмена между наружной стеной и поверхностью внутрен­них стен;

Ев;с —собственное излучение внутренней поверхности наружной стены, вт/м2; а® —коэффициент внутреннего теплоперехода конвек­цией, вт/м2- град;

—температура внутренней поверхности наружной стены (с учетом остекления), град С.

Интегральное уравнение теплообмена поверхностей внутрен­них стен составляется также на основании баланса полученно­го и отданного тепла.

Так как тепловое ощущение человека определяется резуль­тативным действием температуры, влажности, скорости движе­ния воздуха и температуры окружающих поверхностей, то воз­никает необходимость в создании некоторой величины, которая могла бы служить мерилом теплового ощущения человека, яв­ляясь в то же время функцией характеризующих состояние сре­ды величин.

Правильное регулирование микроклимата помещений может решаться только на основе показателей теплофизиологи­ческого ощущения человеком окружающей среды. Это ощу­щение по разному оценивается разными шкалами и показате­лями.

До сих пор не удалось найти такое соотношение между по­казателями окружающей среды и тепловым ощущением, кото­рые при любых обстоятельствах и с любой точки зрения можно было бы применить как для биологических целей, так и для ре­гулирования микроклимата. Это объясняется тем, что в форми­ровании теплофизнологического ощущения микроклимата уча­ствуют климат, привычки людей, особенности расы и пола, пи­тание, момент восприятия и т. д. Основная причина заключается в том, что в разной окружающей среде организм по-разному ре­агирует на различные влияния.

■ -«МіНІНЬ

Поскольку для измерения ощущения не имеется объектив­ной единицы, задача создания указанной функциональной за­висимости очень сложна. .Однако совместными усилиями инже­неров и гигиенистов созданы подобные зависимости, которые пусть несовершенны, но все же обеспечивают приближенный пе­реход от ощущений к объективно и строго измеряемым величи­нам.

Уравнение, с помощью которого может производиться ком­плексная оценка температуры, влажности и скорости движения воздуха, может быть представлено в следующем общем виде:

ЕЯ =А 4- J х ■ do 4- J у dz. (11)

?0

где tn, q>, v—соответственно температура помещения, относи­тельная влажность и скорость движения воздуха;

ср0 и v0—относительная влажность и скорость движения стандартного воздуха; х—температурный эквивалент влажности х=/'(Я; ср);

у—температурный эквивалент скорости воздуха y=ip(H: V).

В Голландии предложена следующая эмпирическая формула оптимальных условии для проектирования установок кондицио­нирования воздуха в условных единицах:

Е Я = С -г 0,25 (4 4- 4Р orp ) -f 0,1 х — 0.1 (37,8 - 4) l^v =

= —З... 0 .4-3. (12)

Константа С зимой равна 9.2, а летом — 10.6.

Результаты вычисления оцениваются при

IЯ = —3 — чрезмерно холодно;

I Н= —2 — очень холодно;

2Н = —1 —слегка холодно; !

1Н=0 —нормальная температура;

I Н= +1 — слегка тепло;

IН— 4-2 — очень тепло;

I Я = - гЗ — чрезмерно жарко.

На основании отечественных гигиенических норм микрокли­мата В. Е. Кореньковым [1] предложен метод комплексной теп­ловой оценки среды и расчета микроклимата жилища.

Формула состояния среды (2 Я) имеет вид'

S Я = 0,24 (А 4- 4Р. огр ) + 0,1* — 0,09 (37,8 — 4 )Vv. (13)

где х—влагосодержание в помещении в г/кг сухого воздуха.

Условия теплового комфорта (2 Я) жилого помещения при ведены в табл. 1.

Таблица I

Для оценки микроклимата нужно сравнить результаты, полу­ченные по формуле (13), с табл. I.

В. Е. Кореньков [1] считает, что требования теплового ком­форта, характеризуемого величинами £ И, должны предъявлять­ся к спальной и к детской комнатам только в период сна. В остальное время суток в этих комнатах и в помещениях дневно­го пребывания, в том числе кухне и передней, могут быть до­пущены условия дискомфорта первой степени, а в ночное время в тех же помещениях (кроме детской и спальни) —даже величи­ны ZH, соответствующие условиям дискомфорта второй сте­пени.

Используя приведенные методы оценки микроклимата, вы­бирая соответствующие архитектурно-планировочные средства, ограждающие конструкции и, в особенности, регулируемые кли­матические установки, можно организовать устойчивую здоро­вую обстановку в любых помещениях, где находится человек, в соответствии с конкретными условиями внешнего климата.

Основным параметром микроклимата помещений, в кото­рых больше 70% тепла передается конвекцией, является темпе­ратура воздуха. В формулах (12) и (13) под температурой воз­духа помещения tB понимается температура в центре помеще­ния на высоте 1,5 м от пола (номинальная температура).

С гигиенической точки зрения представляют интерес пара­метры воздуха в зоне пребывания человека, которая ограничи­вается горизонтальной плоскостью на высоте 1,8 м от пола.

Гигиенисты отрицательно оценивают тепличные микроклима­тические условия в закрытых помещениях, которые не способст­вуют тренированию защитных функций организма. Перепад тем­пературы воздуха в зоне пребывания человека может быть до 2.5°С. Скорость движения воздуха меньше 0,075 м/сек вызывает чубство застоя воздуха. Скорость воздуха 0,125—0,175 м/сек в зоне пребывания человека является наиболее благоприятной. Допускается движение воздуха в пределах от 0,1 до 0,25 м/сек, причем при подаче охлажденного воздуха может приниматься нижний предел, при подаче нагретого — верхний.

Равномерность распределения температуры является тепло­техническим требованием, так как величины потребности при отоплении (или охлаждении) основаны на предположении, что температура внутреннего воздуха равномерна во всем помеще­нии. Системы отопления и охлаждения с меньшим температур­ным градиентом с точки зрения расхода тепла более эффек­тивны.

Для правильной оценки микроклимата и затрат тепла для определенного типа помещении, оборудованных климатиче­скими приборами, недостаточно знать температуру в центре. Не­обходимо весь объем разбить на пространственную сетку и в ха­рактерных точках замерять ее.

Метод разбивки помещения на кубы, внутри которых темпе­ратура во всех точках практически одинакова, является самым правильным, но достаточно трудоемким, так как требует очень большого количества точек замера температуры. Упрощение ме­тодики измерении лежит в замерах температур в точках харак­терных плоскостей, образующих трехразмериое пространствен­ное температурное поле. Поле температур представляется изо­термами при заданной разности температур между ними.

Сравнение средней температуры используемого пространства дтя разных отопительных пли охладительных установок или при их различной установке может быть произведено только при одинаковой номинальной температуре. Средняя температу­ра используемого пространства является более обоснованной, чем номинальная. Ее оценка как среднего показателя менее за­висит от случайных ошибок измерения или влияния неучтенных физических явлений, как это может случиться при одноразовом точечном замере номинальной температуры.

Среднюю температуру воздуха помещения либо ее части в данном сечении можно выразить следующей формулой:

/ср __ C/i + tji б - t j?, + ■ ■ ■ + fn fn в p

где fi, /2- • ■ ■. fn —поверхности полей, заключенные между со­седними изотермами и ограждением помеще­ния, либо контуром его части;

/і, /г,..., /п —соответствующие средние температуры воздуха этих полей, равные средним температурам изо­терм, ограничивающих данное поле;

F—плоскость сечения всего помещения либо его части

F=fi+fz+fz-F ■ ■ ■ - f/л*

Средней температурой всего помещения или зоны пребыва­ния человека предлагается считать среднеарифметическую тем­пературу, определенную по изотермам двух взаимно-перпендику. лярных плоскостей, проходящих через центр помещения. По изотермам в сечениях, параллельных наружной стене, не в цент­ре помещения, если они значительно отличаются от центрально­го сечения, может корректироваться средняя температура всего помещения. По таким же изотермам вблизи нагревательного или охладительного прибора можно судить о распределении теп­ла (холода). При построении изотермических полей при различ­ных контрольных температурах можно построить функциональ­ную зависимость между средними и номинальными температу­рами помещения.

На основании указанного анализа микроклимата помещения можно судить о равномерности температурного поля, создавае­мого климатическим прибором, рациональном месте его уста­новки для получения наименьших теплопотерь и сравнения раз­личных способов отопления и охлаждения помещении.

В зимнее время во многих помещениях наблюдается н и з - кая относительная влажность, которая угнетаю­ще действует па нервную систему и способствует распростране­нию различных болезней. В связи с этим проблема увлажнения воздуха в зимнее время приобретает большое значение.

Важным фактором для микроклимата является постоянное обеспечение помещения необходимым количеством све­жего воздуха.

Человек в состоянии покоя в сутки вдыхает и выдыхает 13 м3 воздуха, а при работе — от 15 до 17 мг. При таком по­треблении воздуха весьма существенно его качество.

К сожалению, общепринятые у нас способы и средства вен­тиляции жилых и общественных зданий, и в особенности жилых газифицированных квартир, не обеспечивают необходимого воз­духообмена и чистоты воздуха в помещениях. Положение усу­губляется тем, что при существующей практике проектирования и устройства систем вентиляции даже действующие нормативы воздухообмена в ряде случаев не могут быть обеспечены. Кроме того, при расчете теплопотерь жилых зданий в большинстве слу­чаев не учитывается расход тепла на вентиляцию, что препятст­вует созданию необходимого воздухообмена. В современных га­зифицированных жилых домах при недостаточном воздухообме - йе наблюдаются примерно такие отклонения показателей воз­душной среды от гигиенических нормативов: повышение темпе­ратуры воздуха зимой на 3—8°С, увеличение на 20% и более относительной влажности воздуха, возрастание до 0,4% и выше

содержания СОг (предельно допустимая концентрация 0,1%);

содержание такой токсической примеси, как окись углерода, до­стигает 0,1—0,3 иг! л, что в десятки раз больше предельно' до­пустимой концентрации ее. Значительно превышают гигиениче­ские нормы, особенно в зимнее время, численные значения ми­кробной обессеменности (12 тыс. в 1 м3 и выше) и запыленности (до 600 частиц в 1 мл воздуха комнат) [2].

На микроклимат помещений значительное влияние оказыва­ет степень ионизации воздуха. В недостаточно вентилируемом помещении происходят изменения аэрэионного режима воздуха. Проблема решительной борьбы с систематическим аэроионным голоданием человека и создание условий, предотвращающих возможность болезнетворного влияния воздуха, значительна. Проектирование отопления и вентиляции зданий желательно вести с учетом числа и полярности аэроионов внутри помещения. Плохая вентиляция может привести к высокой концентрации ра­дона в воздухе помещений.

Количество вентиляционного воздуха, необходимого для соз­дания нормального микроклимата, чаще всего определяется по содержанию углекислоты.

Человек в спокойном состоянии выдыхает около 23 л/ч угле­кислоты (ССЧ). Предельно допустимая концентрация углекисло­ты в воздухе помещении постоянного пребывания людей по са­нитарно-гигиеническим нормам — 1 л/м3. Содержание СОг в ат­мосферном воздухе больших городов — 0,5 л/м3.

Необходимый воздухообмен для одного человека при этих условиях составит

= = CS)

где Р—количество выдыхаемого человеком С02 л/ч;

5] и —концентрация С02 в помещении и в приточном возду­хе, л/м3.

Так как затраты на подогрев (или охлаждение) и перемещение вентиляционного воздуха значительны, естественно стремление к сокращению санитарной нормы подачи наружного воздуха.

По ряду источников санитарная норма подачи свежего воз­духа составляет ЗО м3Іч — на 1 человека (минимум — 20 м3/ч).

Рекомендуемые минимальные нормы подачи воздуха соглас­но британскому стандарту 1950 г. приведены в табл. 2.

В США норма подачи воздуха дифференцирована в зависи­мости от назначения помещения, продолжительности пребыва-

Таблица 2

Рекомендуемый минимум подачи свежего воздуха в м3,!ч на 1 чел.

I

Жилые комнаты и спальни:

8,5......................................

11,3........................................

14.2

Конторские здания и помещения учебных заведе­ний:

2,8 .

5,7 •8,5

11.3 14.2

ния в нем людей, степени загрязнения воздуха табачным дымом и интенсивности запахов [3].

Данные о количестве наружного воздуха, рекомендуемые справочником Американского общества инженеров по отопле­нию, вентиляции и кондиционированию воздуха, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Количество свежего воздуха, .и ч на I чел.

Помещения

рекоченду-, ется 1

Квартиры, гостиницы, больше

Магазины

Госпитали

Комнаты гостиниц (при енль

Рестораны

Кафе

Санитарные нормы предусматривают подачу определенного количества наружного воздуха безотносительно к тому, имеют­ся ли в помещении запахи. Последние могут вызываться нали­чием большого количества людей, технологическими процессами и т. д. За рубежом в результате многолетних исследований раз­работана шкала запахов (табл. 4) и способы определения ко­личеств рециркуляционного п наружного воздуха в зависимости от интенсивности запахов [3].

Соотношение количеств наружного и рециркуляционного воз­духа находится по графику (рис. 1). Пунктирной горизонталь­ной линией на графике отмечен верхний предел допустимого за­паха в помещении, характеризуемый индексом 2. Нанесенные стрелки на графике показывают порядок использования. Если, например, количество ре­циркуляционного воздуха составляет 6,5 мг, я-чел. то при индексе 2, наруж­ного воздуха должно вво­диться в помещение не менее 25 м31ч-чел.

Для удаления запахов используются химические и физические способы.

Частичный эффект дости­гается при промывке воз­духа в форсуночных ка­мерах и орошаемых воз­духоохладителях. Эффек­тивным средством для борьбы с запахами и сни­жения санитарной нормы подачи свежего воздуха является вспрыскивание в воздух эмульсин из эфирных масел или хлоро­филла.

В зданиях, расположенных на юге, в летнее врехія из-за вы­сокой температуры наружного воздуха и интенсивной солнечной радиации человеческий организм в значительные периоды дово­дится до состояния перегрева, не допустимого с точки зрения фи­зиологии. Перегревом согласно взглядам в физиологии теплообмена считается такое нарушение терморегуляции чело­века, при котором наблюдается интенсивная отдача тепла путем испарения. Подобное состояние при ср = 50—60% обнаруживает­ся уже при температуре воздуха 25—26°.

Проветривание летом, особенно на юге, считается основным фактором снижения перегрева. Однако сквозное проветривание, несмотря на удорожание строительства на 4% (по данным НИИ жилища бывш. АСиА СССР), полностью не устраняет перегре­ва, а вызывает часто простудные заболевания.

Известный гигиенист С. И. Ветошкин [4] пишет:

«Попытка архитекторов и строителей несколько ограничить вытяжную вентиляцию в квартирах, осуществляемых по прин­ципу сквозного проветривания, совершенно не обоснована. Дей­ствительно, открытые одновременно форточки на двух фасадах могут лишь ускорить проветривание помещения. Наличие окоп на двух противоположных фасадах может несколько улучшить инфильтрацию наружного воздуха, что, однако, совершенно не­достаточно для обеспечения требуемых воздухообменов. Улуч­шение условий проветривания является кратковременным ме­роприятием и никак ие может компенсировать требуемые возду - хообмены, которые должны быть постоянными, круглосуточны­ми. Однако, для создания такого воздухообмена при вытяжной вентиляции на естественной тяге необходимо организовать при­ток наружного воздуха тем или иным способом».

Проветривание помещений является полезным, но далеко не объемлющим фактором. Сквозное проветривание невозможно организовать в домах гостиничного типа, при односторонней ориентации квартир, в многосекцпонных домах повышенной этажности, в штилевую погоду, при сильном ветре, запыленном наружном воздухе, значительном уличном шуме; на юге часто в период от восхода до захода солнца для защиты от солнечной радиации завешивают окна плотными тканями, что исключает проветривание.

При высоких температурах наружного воздуха, в летнее вре­мя в южных районах СССР, которые сочетаются либо с высо­кой относительной влажностью (Кавказ, Крым, Южная Украи­на, Приморье), либо с низкой относительной влажностью (Сред,- няя Азия), проветривание помещении и обычная приточная вентиляция не в состоянии обеспечить благоприятный микро­климат помещений. При отсутствии искусственного охлаждения зданий в южных районах СССР применяемые меры солнцеза - щиты и проветривания не направлены против такого важного фактора перегрева как высокая температура наружного воз­духа.

Без тщательного учета внешних и внутренних воздействий на микроклимат нельзя добиться надежного его регулирования. Требуемый микроклимат поддерживается соответствующим вы­бором ограждающих конструкций здания, архитектурно-плани­ровочным решением и инженерным оборудованием.

Применяя различные средства поддержания микроклимата, можно достигнуть разной степени комфортности помещения.

A-103S23

Технические средства обеспечения и регулирования требуе­мого микроклимата в летнее время можно подразделить:

*1) планировочные — застройка, ориентация зданий, озелене­ние, обводнение;

2) архитектурные и конструктивные — объемно-планировоч­ные решения (ориентация и проветривание), устройство преград для защиты от перегрева помещений (балконы, лоджии, верти­кальные и горизонтальные конструктивные ребра, козырьки, экраны), окраска ограждений, применение специальных солнце­защитных устройств, теплопоглощающих стекол, дополнитель­ная изоляция и затенение стен, устройство вентилируемых, на­ливных или орошаемых покрытий;

3) эксплуатационные — побелка стекол; применение занаве­сей, штор;

4) системы искусственного климата, к которым относятся си­стемы отопления, охлаждения, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Когда планировочные, архитектурно-конструктивные и экс­плуатационные средства не в состоянии обеспечить поддержание комфортных условии и требуемого микроклимата в помещениях (в частности недостаточны для защиты от перегрева) при­менение кондиционирования воздуха является необходи­мым.

Сокращение внешних тепловых нагрузок планировочными, архитектурно-конструктивными и эксплуатационными средства­ми при применении систем искусственного климата позволит значительно снизить стоимость систем и уменьшит эксплуата­ционные расходы.

В этой связи необходима тщательная увязка архитектурно - планировочного решения здания с инженерным оборудованием его.

В городах со значительной запыленностью наружного воз­духа и большим уровнем шума, благодаря применению конди ционнровання воздуха, можно полностью перейти на режим за­крытых окон и обеспечить внутренний микроклимат, значитель­но отличающийся от наружных условий.

Помимо санитарно-гигиенических факторов, большое значе­ние имеет также увеличение производительности труда в конди­ционируемых помещениях.

В многоэтажных жилых, общественных и промышленных зданиях с многокомнатной планировкой (административные зда­ния, учебные и научно-исследовательские учреждения, гостини­цы, больницы, лаборатории и т. п.), которые требуют различных параметров воздуха в разных помещениях, рационально и эко­номично применение систем, оборудованных местными климати - ■ ческими приборами.