Тепловой микроклимат помещений

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в нашей стране были существенно повышены требования к уровню тепловой защиты зданий и сооружений, основных потребителей энергии. Эти требования связаны не только со стремлением к экономии топливно-энергетических ресурсов, но и с задачами охраны окружающей среды, необходимостью уменьшить влияние «парникового» эффекта и сократить выделения двуокиси углерода и других вредных веществ атмосферу.

Современные нормы по тепловой защите зданий установлены с целью проектирования зданий с рациональным использованием энергии. На это направлен комплекс архитектурных, строительных и инженерных решений.

Основной предмет строительной теплофизики - это обоснование и выбор наружных ограждающих конструкций зданий, которые обеспечивают заданный температурно-влажностный режим помещений, экономию энергоресурсов и долговечность самих конструкций ограждения.

Предлагаемое пособие посвящено теплофизическим основам проектирования ограждающих конструкций.

Цель учебного пособия – дать представление о связи комфортной тепловой среды в зданиях с использованием конструктивных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов; научить студентов на основании расчетов выбирать ограждающие конструкции зданий, обеспечивающие необходимый уровень тепловой защиты архитектурных объектов, требуемые экологические качества искусственной среды.

Для достижения цели при написании учебного пособия были поставлены следующие задачи: дать студентам знания об основных понятиях и законах процессов теплопередачи, паро- и воздухопроницаемости, о теплофизических свойствах строительных материалов; научить студентов определять нормативные и расчетные теплотехнические показатели ограждающих конструкций, проводить анализ полученных результатов и вносить необходимые коррективы.

Предлагаемое пособие написано коллективом авторов кафедры инженерно-экономических дисциплин ИАрхИ ЮФУ: введение, главы 1, 2, 3, 4 – Карасевой Л.В., глава 5 – Геппель С.А., глава 6 – Чебановой Е.В.

Учебное пособие «Теплофизика ограждающих конструкций архитектурных объектов» служит теоретической базой для курсового и дипломного проектирования для студентов направления «Архитектура».

Глава 1

Микроклимат помещения - состояние внутренней среды помещения, оказывающее воздействие на человека, характеризуемое показателями температуры воздуха и ограждающих конструкций, влажностью и подвижностью воздуха. Значения этих параметров должны соответствовать назначению помещения и санитарно-гигиеническим требованиям, предъявляемым к нему.

Рекомендуемые характеристики внутренней воздушной среды, прежде всего, соответствуют состоянию теплового комфорта человека.

В организме человека протекают биологические процессы, которые ведут к образованию тепла. Эти процессы называются метаболическими. Метаболизм можно разделить на два вида:

- основной метаболизм, при котором тепло выделяется в ходе вегетативных процессов, протекающих непрерывно и бессознательно;

- мышечный метаболизм – выделение тепла мышцами при совершении работы. Это вид метаболизма можно сознательно контролировать.

Общее количество энергии, вырабатываемое организмом, зависит от степени тяжести выполняемой работы, которую можно условно оценить как незначительную, легкую, среднюю или тяжелую. Интенсивность выделяемого организмом взрослого мужчины тепла меняется от 70 Вт в состоянии глубокого сна до 350 Вт и выше при выполнении тяжелой работы.

Тепло, образуемое в глубинных тканях организма, непрерывно переносится к поверхности кожи (и легким), откуда оно передается в окружающую среду посредством конвективного и лучистого теплообмена, теплопроводностью и при испарении. Интенсивность отдачи тепла человеком зависит от параметров внутренней среды помещения: температуры t_int, относительной влажности φ_int и подвижности воздуха v_int, а также от температур поверхностей, обращенных в помещение, t_si.

Тепловой баланс существует в том случае, если выделяемое тепло полностью рассеивается в окружающую среду. При нарушении баланса «включается» механизм терморегуляции человека, который – до известных пределов – может защитить его от перегрева и переохлаждения.

Если вследствие увеличения метаболического выделения тепла или в результате повышения температуры воздуха вырабатываемое тепло рассеивается не в полной мере, кровеносные сосуды у поверхности кожи расширяются; перенос тепла к поверхности увеличивается, что приводит к большему его рассеиванию. Если расширения сосудов недостаточно для сохранения теплового баланса, начинают работать потовые железы, а испарение влаги вызывает охлаждающее действие. В условиях похолодания, когда интенсивно теряемое количество тепла не восполняется теплом, вырабатываемым организмом, кровеносные сосуды у поверхности кожи сужаются, перенос тепла из глубинных тканей уменьшается, сокращаются потери тепла.

Состояние теплового комфорта человек испытывает тогда, когда механизм терморегуляции работает с наименьшим напряжением. Это возможно лишь при оптимальных параметрах микроклимата.

Оптимальные параметры микроклимата - сочетание значений показателей микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают нормальное тепловое состояние организма при минимальном напряжении механизмов терморегуляции и ощущение комфорта не менее чем у 80 % людей, находящихся в помещении.

Допустимыми считаются такие метеорологические условия, при длительном и систематическом воздействии которых возникает некоторая напряженность процесса терморегуляции, возможно ощущение дискомфорта; при этом состояние здоровья не ухудшается.

Отмечено, что, кроме вида выполняемой работы, на диапазон комфортных условий влияет ряд субъективных факторов: климатическая адаптация человека, возраст и пол, состояние здоровья, привычки и предпочтения. С учетом акклиматизации характеристики тепловой среды в помещении должны быть различны в разных климатических районах и разные периоды года.

Нормируемые параметры микроклимата устанавливаются для холодного и теплого периодов года. Холодный период характеризуется среднесуточной температурой наружного воздуха, равной 8˚С и ниже (при проектировании лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых в качестве граничной принята температура 10˚С); в этот период работают системы отопления здания. Теплый период – период года со среднесуточной температурой наружного воздуха выше 8˚С (10˚С – для зданий, отмеченных ранее).

Воздействие тепловой среды на состояние человека является комплексным, то есть вызванным совместным действием нескольких метеорологических факторов. Условия теплового комфорта включают не только определенный интервал температур, но и соответствующие значения относительной влажности, подвижности воздуха.

По таблице 1.1 устанавливается влажностный режим помещений в холодный период года в зависимости от относительной влажности и температуры внутреннего воздуха.

Таблица 1.1

Влажностный режим помещений зданий

Режим	Влажность внутреннего воздуха, %, при температуре, ˚С
до 12	12 - 24	свыше 24
Сухой	до 60	до 50	до 40
Нормальный	60 - 75	50 - 60	40 – 50
Влажный	свыше 75	60 - 75	50 – 60
Мокрый	-	свыше 75	свыше 60

При комфортных или близких к ним температурах на тепловое состояние человека заметно влияют низкие и высокие значения относительной влажности. Так, при влажности менее 20 % пересыхает слизистая оболочка дыхательного тракта и возрастает восприимчивость к инфекции. При большой относительной влажности затруднен процесс испарения влаги из легких и дыхательных путей и с потоотделением. Снижается теплоотдача во внешнюю среду, что приводит к ощущению духоты.

В таблице 1.2 приведены интервалы оптимальных температур и значения допустимой относительной влажности воздуха в некоторых помещениях жилых и общественных зданий согласно СП 23-101-2004. Расчетная температура воздуха жилых и общественных зданий t_int для холодного периода года должна быть не ниже минимальных значений оптимальных температур. Так, для жилых помещений расчетная температура для холодного периода года составляет: t_int= 20˚С; для поликлиник и лечебных учреждений t_int= 21˚С; для дошкольных учреждений t_int= 22˚С; расчетное значение относительной влажности в этих случаях - φ_int= 55 %.

Таблица 1.2

Оптимальные температуры и допустимая относительная влажность воздуха внутри здания для холодного периода года

№ п.п.	Тип здания	tint, ˚С	φint, % не более
	Жилые	20-22
	Поликлиники и лечебные учреждения	21-22
	Дошкольные учреждения	22-23

Для остальных зданий, не указанных в таблице 1.2, параметры воздуха следует принимать по минимальным значениям оптимальной температуры по ГОСТ 30494-96 и нормам проектирования соответствующих зданий.

ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» устанавливает общие требования к оптимальным и допустимым показателям микроклимата и методы контроля. Значения нормативных параметров внутренней тепловой среды зависят от вида деятельности человека, что нашло свое отражение в классификации помещений, приведенной ниже.

Классификация помещений

Помещения 1 категории - помещения, в которых люди в положении лежа или сидя находятся в состоянии покоя и отдыха.

Помещения 2 категории - помещения, в которых люди заняты умственным трудом, учебой.

Помещения 3а категории - помещения с массовым пребыванием людей, в которых люди находятся преимущественно в положении сидя без уличной одежды.

Помещения 3б категории - помещения с массовым пребыванием людей, в которых люди находятся преимущественно в положении сидя в уличной одежде.

Помещения 3в категории - помещения с массовым пребыванием людей, в которых люди находятся преимущественно в положении стоя без уличной одежды.

Помещения 4 категории - помещения для занятий подвижными видами спорта.

Помещения 5 категории - помещения, в которых люди находятся в полураздетом виде (раздевалки, процедурные

кабинеты, кабинеты врачей и т. п.).

Помещения 6 категории - помещения с временным пребыванием людей (вестибюли, гардеробные, коридоры, лестницы, санузлы, курительные, кладовые).

В таблице 1.3 приведены значения оптимальных и допустимых норм температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в общественных зданиях разных категорий, установленные ГОСТ 30494-96.

Таблица 1.3

Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне общественных зданий

Период года	Категория помещения	Температура воздуха, °С	Результирующая температура, °С	Относительная влажность, %	Скорость движения воздуха, м/с
опт.	доп.	опт.	доп.	опт.	доп.	опт., не более	доп, не более
Холодный	1 категория	20-22	18-24	19-20	17-23	45-30		0,2	0,3
2 "		19-21	18-20	17-22	45-30		0,2	0,3
3а "	20-21	19-23	19-20	19-22	45-30		0,2	0,3
3б "	14-16	12-17	13-15	13-16	45-30		0,2	0,3
3в "	18-20	16-22	17-20	15-21	45-30		0,2	0,3
4 "	17-19	15-21	16-18	14-20	45-30		0,2	0,3
5 "	20-22	20-24	19-21	19-23	45-30		0,15	0,2
6 "	16-18	14-20	15-17	13-19	НН*	НН	НН	НН
Теплый	Помещения пост.пребы-ванием людей	23-25	18-28	22-24	19-27	60-30		0,3	0,5

Подвижность воздуха участвует в создании теплового комфорта в помещении. Неподвижный воздух в помещении даже зимой отрицательно влияет на общее состояние человека, вызывает чувство утомления, создает впечатление затхлости. В этом случае вокруг тела человека образуется тонкая воздушная оболочка, имеющая высокую температуру и насыщенная водяным паром. Затрудняется тепло- и влагообмен с окружающим воздухом. Минимальная подвижность воздуха, разрушающая этот слой, по исследованиям разных авторов составляет 0,05 – 0,15 м/с. В летний период года движение воздуха оказывает благоприятное действие, усиливая теплоотдачу с поверхности кожи и ускоряя испарение. Слишком большая подвижность воздуха раздражает, вызывает ощущение сквозняка, способствует чрезмерному охлаждению.

Температуры поверхностей в помещении (стены, пол и др.) играют существенную роль в формировании микроклимата. Значительная часть потерь тепла организмом человека происходит путем излучения, что обусловлено более низкими температурами поверхностей в помещении. Лучистый теплообмен возникает при разности температур несоприкасающихся тел; его интенсивность значительно возрастает с ростом этой разности. Для учета потерь тепла путем излучения вводится радиационная температура t_r – осредненная по площади температура внутренних поверхностей ограждений помещения и отопительных приборов. При понижении t_r для поддержания комфортных условий для человека температуру внутреннего воздуха t_int следует увеличить, и наоборот.

В таблице 1.3 одним из нормируемых показателей микроклимата является результирующая температура. Результирующая температура помещения t_su - комплексный показатель радиационной температуры помещения и температуры воздуха помещения. Если считать, что потери тепла человеческим организмом в помещениях происходят в равной степени путем излучения и путем конвекции, т.е. при соприкосновении поверхности одежды или кожи с подвижным воздухом, то эту температуру можно принять равной полусумме температур t_int и t_r:

.

Расчетные параметры микроклимата в производственных зданиях определяются как санитарно-гигиеническими нормами, так и технологическими требованиями. В таблице 1.4 представлены оптимальные и допустимые значения температур и скоростей движения воздуха в помещениях производственных зданий. Данные нормы зависят от характера работы, выполняемой человеком, и периода года (ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ). Категория работы определяется по затратам энергии на ее выполнение. Тяжелая физическая работа соответствует расходу энергии более 290 Вт (кузнечные цеха с ручной ковкой, литейные – с ручной набивкой и т.п.); работа средней тяжести – это вид деятельности с расходом энергии 175 – 290 Вт. Работа с незначительным или некоторым физическим напряжением и затратой энергии до 175 Вт классифицируется как легкая.

Таблица 1.4

Оптимальные и допустимые нормы температуры и скорости движения воздуха

на постоянных рабочих местах производственных помещений

Период года	Категория работ	Оптимальные нормы	Допустимые нормы
Температура, ˚C	Скорость, м/с, не более	Температура, ˚C	Скорость, м/с, не более
Холодный	Легкая	21 - 24	0,1	20 - 25	0,2
Средней тяжести	17 - 20	0,2	15 - 23	0,4
Тяжелая	16 - 18	0,3	13 - 19	0,5
Теплый	Легкая	22 - 25	0,2		0,3
Средней тяжести	20 - 23	0,3		0,5
Тяжелая	18 - 20	0,4		0,6

Оптимальные нормы относительной влажности воздуха в производственных помещениях составляют 40 – 60 %.

Однако технологии некоторых производств предъявляют специальные требования к влажности воздуха, а также – к его температуре и подвижности. Так в помещениях для хранения и обработки углеродистой стали требуется пониженная влажность воздуха (30 – 45 %); с повышением влажности возрастает скорость коррозии металла. При производстве химических волокон необходимо поддерживать температуру воздуха 30 – 35˚C при относительной влажности не ниже 90 %.

Кроме санитарно-гигиенических и технологических требований, определяющих границы нормативных показателей микроклимата, важными также являются требования к их обеспеченности, которые определяют надежность поддержания заданных условий внутренней среды. В ряде случаев параметры микроклимата в здании могут заметно отклоняться от расчетных значений. В производственных помещениях это прежде всего связано с технологическими процессами, сопровождающимися выделениями тепла и влаги. Значительное влияние на микроклимат жилых, общественных и производственных зданий оказывают природно-климатические условия. Изменения параметров наружной тепловой среды (резкое похолодание или усиление жары, сильный ветер, проливные дожди) могут привести к нарушению комфортного режима, к переохлаждению или перегреву.

В таких зданиях как больницы, родильные дома, ясли, а также в производственных зданиях со строгим технологическим режимом (точное приборостроение, производство интегральных схем) степень обеспеченности расчетных условий должна быть очень высокой. Заданные параметры микроклимата в них должны выдерживаться при любых погодных условиях, возможных в районе строительства.

В жилых зданиях, общежитиях возможны небольшие кратковременные отклонения от норм. В помещениях, которые функционируют периодически, с ограниченным по времени пребыванием людей (торговые залы, залы ожидания на вокзалах) степень обеспеченности расчетных внутренних условий может быть еще ниже.

Для определения требований обеспеченности заданных параметров внутреннего воздуха вводится коэффициент обеспеченности K_об. Можно ввести коэффициент обеспеченности по продолжительности отклонений

,

где ΔZ – общая продолжительность рассматриваемого периода (сезон, год и т.д.), Δz – продолжительность поддержания расчетных внутренних условий в течение этого периода.

Вводится также коэффициент обеспеченности по числу случаев отклонений

,

где N – общее число рассматриваемых случаев, n - число случаев, не допускающих отклонение от расчетных условий. Для холодного периода года за случай отклонения принимается разовое похолодание.

Значения коэффициентов обеспеченности приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5

Значения коэффициентов обеспеченности K_{ОБ Δz} и K_{ОБ n}

Характеристики помещения	KОБ n	KОБ Δz	Уровень требований к микроклимату
Особо высокие санитарно-гигиенические и технологические требования			Повышенный
Круглосуточное пребывание людей или постоянный технологический режим	0,9	0,98	Высокий
Ограниченное по времени пребывание людей	0,7	0,92	Средний
Кратковременное пребывание людей	0,5	0,8	Низкий

Для создания и поддержания в помещениях здания определенного теплового режима, для выполнения требований обеспеченности нормативных условий проектировщик имеет в своем распоряжении пассивные и активные средства.

К пассивным (иначе – естественным) факторам формирования теплового микроклимата относятся архитектурно-планировочные и конструктивные. Активные (или искусственные) средства регулирования теплового режима – это системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, требующие подвода энергии. В современных условиях проблема сокращения энергопотребления этими системами является крайне актуальной. Энергосберегающие меры направлены на выбор конструкций и архитектурно-планировочных решений зданий, то есть на максимальное использование пассивных средств.

Рассмотрим потенциальные возможности естественных мер по регулированию теплового режима и по экономии энергоресурсов. При выборе планировочных решений и ограждающих конструкций зданий в большой степени следует учитывать природно-климатические условия района строительства, параметры наружной тепловой среды. На микроклимат как внутри зданий, так и вблизи них, могут влиять их взаиморасположение, форма и ориентация по сторонам света, планировка всего жилого массива. Например, в районах с холодной зимой и сильными ветрами размещение зданий торцами к ветру преобладающего направления значительно снижает теплопотери через ограждения и улучшает тепловую среду. Другой пример. В жарких сухих районах рекомендуют компактную жилую застройку, раскрытую в замкнутое придомовое пространство, в котором создан искусственный ландшафт (водоем, фонтан, озеленение). Это приводит к снижению температуры воздуха в помещениях на 2 – 3˚ и повышает относительную влажность на 15 – 20%.

Форма здания оказывает влияние на энергопотребление. Выбор объемно-планировочного решения, обеспечивающего наименьшую площадь наружных ограждений, уменьшение числа наружных углов, увеличение ширины зданий приводят к уменьшению потерь тепла и снижают расход тепловой энергии на отопление зданий.

Применение тех или иных конструктивных средств регулирования микроклимата помещений также зависит от того, какая погода преобладает в данной местности. В районах с теплым летом солнцезащита окон (вместе с эффективным использованием естественного воздухообмена) способствует поддержанию внутренней температуры в комфортном диапазоне. Если холодная погода длится несколько месяцев, ограждающие конструкции должны обладать высокими теплозащитными свойствами.

Наружные ограждающие конструкции защищают помещения от непосредственных атмосферных воздействий (рис.1.1). Разность температур наружного и внутреннего воздуха, солнечная радиация приводят к теплопотерям через ограждения в холодное время и теплопоступлениям летом. Гравитационные силы и действие ветра создают перепады давлений, приводящие зимой к фильтрации холодного воздуха через поры материалов и неплотности ограждающих конструкций. Атмосферные осадки, выделения влаги в помещениях, разность влажности внутреннего и наружного воздуха вызывают влагоперенос через ограждения. При этом возможно увлажнение материалов, ухудшение их теплозащитных свойств и снижение долговечности наружных стен и покрытий.

Для обеспечения комфортных условий в помещениях зданий, нормального протекания производственных процессов, оптимизации потерь тепла зимой и теплопоступлений летом, выполнения норм по ограничению энергозатрат запроектированные ограждающие конструкции должны удовлетворять нормативным требованиям к сопротивлению теплопередаче, теплоустойчивости, влажностному режиму, воздухопроницаемости.

Ниже будут рассмотрены методы теплофизического проектирования ограждающих конструкций архитектурных объектов. Следует отметить, что речь идет об ограждениях отапливаемых помещений в жилых, общественных и производственных зданиях.

Глава 2

Дата добавления: 2015-05-26