Микроклимат помещений. Условия комфортности. Теплостойкость и теплозащитные свойства ограждающих конструкций

Лекция 1

Микроклимат помещений [1, с.77-80]

Около 80% своей жизни человек проводит в помещении: жилых, общественных, производственных зданиях, транспорте. Здоровье и работоспособность человека в значительной степени зависят от того, насколько помещение в санитарно-гигиеническом отношении удовлетворяет его физиологическим требованиям.

Под микроклиматом помещения понимается совокупность теплового, воздушного и влажностного режимов в их взаимосвязи. Основное требование к микроклимату – поддержание благоприятных условий для людей, находящихся в помещении. В результате протекающих в организме человека процессов обмена веществ освобождается энергия в виде теплоты. Эта теплота (с целью поддержания постоянной температуры тела человека) должна быть передана окружающей среде. При обычных условиях более 90% вырабатываемой теплоты отдаётся окружающей среде (50% - излучением, 25% - конвекцией, 25% - испарением) и менее 10% теплоты теряется в результате обмена веществ.

Интенсивность теплоотдачи человека зависит от микроклимата помещения, характеризующегося:

- температурой внутреннего воздуха t_в;

- радиационной температурой помещения (осреднённой температурой его ограждающих поверхностей) t_R;

- скоростью движения (подвижностью) воздуха v;

- относительной влажностью воздуха j_в.

Сочетания этих параметров микроклимата, при которых сохраняется тепловое равновесие в организме человека и отсутствует напряжение в его системе терморегуляции называют комфортными или оптимальными.

Наиболее важно поддерживать в помещении в первую очередь благоприятные температурные условия, так как подвижность и относительная влажность имеют, как правило, несущественные колебания.

Кроме оптимальных различают допустимые сочетания параметров микроклимата, при которых человек может ощущать небольшой дискомфорт.

Часть помещения, в которой человек находится основное рабочее время, называют обслуживаемой или рабочей зоной.

Тепловые условия в помещении завися главным образом от т.е. от его температурной обстановки, которую принято характеризовать условиями комфортности.

Первое условие комфортности – определяет такую область сочетаний t_в и t_R, при которых человек, находясь в центре рабочей зоны, не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения. Для спокойного состояния человека t_в =21…23, при лёгкой работе – 19..21, при тяжёлой – 14…16°С.

Для холодного периода года первое условие характеризуется формулой:

 

t_R=1,57t_п-0,57t_в±1,5, (1.1)

 

где: t_п=(t_в+t_R)/ 2.

Второе условие комфортности – определяет допустимые температуры нагретых и охлаждённых поверхностей при нахождении человека в непосредственной близости от них.

Во избежание недопустимого радиационного перегрева или переохлаждения головы человека поверхности потолка и стен могут быть нагреты до допустимой температуры:

 

, (1.2)

 

или охлаждены до температуры:

 

, (1.3)

где: j - коэффициент облучённости от поверхности элементарной площадки на голове человека в сторону нагретой или охлаждённой поверхности.

Температура поверхности холодного пола зимой может быть лишь на 2-2,5°С ниже температуры воздуха помещения вследствие большой чувствительности ног человека к переохлаждению, но и не выше 22-34°С в зависимости от назначения помещений.

Основные нормативные требования к микроклимату помещений содержатся в нормативных документах: СНиП 2.04.05-91 (с изменениями и дополнениями), ГОСТ 12.1.005-88.

При определении расчетных метеорологических условий в помещении учитывается способность человеческого организма к акклиматизации в разное время года, интенсивности выполняемой работы и характер тепловыделений в помещении. Расчётные параметры воздуха нормируются в зависимости от периода года. Различают три периода года:

- холодный (среднесуточная температура наружного воздуха t_н <+8°С);

- переходный (-"– t_н =8°С);

- тёплый (-"– t_н >8°С);

Оптимальные и допустимые метеорологические условия (температура внутреннего воздуха t_в) в обслуживаемой зоне жилых, общественных и административно-бытовых помещений приведены в таблице 1.1.

 

Таблица 3.1

Период года	Условия	Категория работ
Лёгкая (<172 Вт)	Средней тяжести (172-293 Вт)	Тяжёлая (>293 Вт)
Холодный	Оптимальные	20-23	17-20	16-18
Допустимые	19-25	15-23	13-19
Тёплый	Оптимальные	22-25	21-23	18-21
Допустимые

 

Максимально допустимая температура воздуха в рабочей зоне - 28°С (если расчётная температура наружного воздуха больше 25°С – допускается до 33°С).

Оптимальные значения относительной влажности воздуха – 40-60%.

Оптимальные скорости воздуха в помещении для холодного периода – 0,2-0,3 м/с, для тёплого периода – 0,2-0,5 м/с.

Системы инженерного оборудования зданий [1, с.80-81]

Требуемый микроклимат в помещениях создаётся следующими системами инженерного оборудования зданий: отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Системы отопления служат для создания и поддержания в помещениях в холодный период года необходимых температур воздуха, регламентируемых соответствующими нормами. Т.е. они обеспечивают необходимый тепловой режим помещений.

В тесной связи с тепловым режимом помещений находится воздушный режим, под которым понимают процесс обмена воздухом между помещениями и наружным воздухом.

Системы вентиляции предназначены для удаления из помещений загрязнённого и подачу в них чистого воздуха. При этом расчётная температура внутреннего воздуха не должна меняться. Системы вентиляции состоят из устройств для нагревания, увлажнения и осушения приточного воздуха.

Системы кондиционирования воздуха являются более совершенными средствами создания и обеспечения в помещении улучшенного микроклимата, т.е. заданных параметров воздуха: температуры, влажности и чистоты при допустимой скорости движения воздуха в помещении независимо от наружных метеорологических условий и переменных по времени вредных выделений в помещениях. Системы кондиционирования воздуха состоят из устройств термовлажностной обработки воздуха, очистки его от пыли, биологических загрязнений и запахов, перемещения и распределения воздуха в помещении, автоматического управления оборудованием и аппаратурой.

Теплозащитные свойства ограждений [1, с.85-98]

Теплозащитные свойства ограждений принято характеризовать величиной сопротивления теплопередаче R₀, которая численно равна падению температуры в градусах при прохождении теплового потока, равного 1 Вт, через 1 м² площади ограждения.

Уравнение применительно к наружным ограждениям зданий можно записать так:

 

R₀=R_в+R_к+R_н, (1.4)

 

где: R_в=1/a_в – сопротивление теплоотдаче внутренней поверхности, м²К/Вт;

R_н=1/a_н – сопротивление теплоотдаче наружной поверхности, м²К/Вт;

R_к – термическое сопротивление ограждающей конструкции с последовательно расположенными однородными слоями, м²К/Вт;

a_в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения, Вт/(м²К);

a_н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения, Вт/(м²К).

Величина R_к определяется как сумма термических сопротивлений отдельных слоёв:

 

R_к=R₁+R₂+…+R_п+R_в.п., (1.5)

 

где: R₁, R₂,… R_п, – термические сопротивления отдельных слоёв ограждения, м²К/Вт;

R_в.п. – термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, м²К/Вт.

Термическое сопротивление каждого слоя однородной ограждающей конструкции R_i определяют по формуле:

 

R_i = d_i/l_i, (1.6)

 

где: d_i – толщина отдельного слоя, м;

l_i – расчётный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м²К), принимаемый по СНиП II-3-79**.

Для определения термического сопротивления ограждений, в которых материал неоднороден как в параллельном, так и в перпендикулярном тепловому потоку направлениях (разного рода пустотелые блоки и т.п.) используются специальные методики расчёта.

Сопротивление теплопередаче наружных ограждений отапливаемых зданий должно определяться в соответствии с требованиями «Изменений №1 к СНиП II-3-79**» и быть не менее нормативного сопротивления теплопередаче R_норм (или, в оговоренных случаях, не менее требуемого сопротивления теплопередаче R₀^тр, определяемого по формуле 1.8).

 

R₀ ³ R_норм, или R₀ ³ R₀^тр, (1.7)

(1.8)

 

Для наружных дверей и ворот (кроме балконных) R₀^дверь ³ 0,6R₀^стены.

Однако выполнение условий (1.7) недостаточно, необходимо также учитывать технико-экономические показатели. Стоимость здания или сооружения складывается из капитальных затрат К (затраты на строительство) и эксплуатационных расходов ЭТ (в том числе и на отопление), причём эти показатели связаны с сопротивлением теплопередаче ограждений. При этом величина экономически целесообразного сопротивления теплопередаче ограждения R₀^эк соответствует минимуму приведенных затрат, равных сумме капитальных затрат К и эксплуатационных расходов ЭТ:

 

П=К+ЭТ. (1.9)

 

Если R₀^эк ³ R₀^тр, то расчётное сопротивление должно определяться по условию:

 

R₀» R₀^эк. (1.10)

 

Определение R₀^эк из нескольких типов конструкций выполняется в соответствии с п. 2.15 (СНиП II-3-79**). Экономически целесообразной будет та конструкция наружного ограждения, для которой величина приведенных затрат П будет наименьшей.

Тепловая инерция D ограждающей конструкции определяется по формуле:

 

D=R₁s₁+R₂s₂+…+R_ns_n, (1.11)

 

где: R₁, R₂,… R_п, – термические сопротивления отдельных слоёв ограждения, м²К/Вт;

s₁, s₂,… s_п, – коэффициенты теплоусвоения материала слоёв ограждения, Вт/(м²К), значения s приведены в приложении 3* (СНиП II-3-79**).

Коэффициент теплоусвоения материала s показывает способность поверхности стенки площадью 1 м² усваивать тепловой поток мощность 1 Вт при температурном перепаде 1К. Он зависит от продолжительности отопления и физических свойств материала - теплопроводности, теплоёмкости, плотности.

Воздухопроницаемость – свойство ограждения или материала пропускать воздух при наличии разности давлений воздуха с разных сторон стенки (фильтрация). Если фильтрация происходит в направлении от наружного воздуха в помещение, то она называется инфильтрацией, при обратном направлении – эксфильтрацией.

Разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждений возникает вследствие разности плотностей наружного и внутреннего воздуха (гравитационное давление) и под влиянием ветра (ветровое давление).

Гравитационное давление: перепад давлений в некоторой плоскости, отстоящей от нейтральной на расстояние h, определяется по формуле:

 

Dp=h(r_н-r_в), (1.12)

 

где: r_н, r_в – плотности наружного и внутреннего воздуха соответственно, кг/м³.

Ветровое давление: под действием ветра на наветренных поверхностях здания возникает избыточное давление, а на заветренных поверхностях – разряжение.

Величина избыточного статического давления Dp_ст (ветрового давления) равна:

 

, (1.13)

 

где: k₁, k₂ – аэродинамические коэффициенты соответственно с наветренной и заветренной сторон здания;

v_н – скорость набегающего на здание потока воздуха.

Воздухопроницаемость ограждающей конструкции оценивается по величине сопротивления воздухопроницанию R_и, которое для сплошных слоёв материалов определяется так:

 

R_и = d/i, (1.14)

 

где: d – толщина слоя, м;

i – коэффициент воздухопроницаемости материала, кг/(м²×ч×Па), характеризующий количество воздуха в кг, которое проходит через 1 м² ограждения за 1 ч при разности давлений 1 Па.

Сопротивление воздухопроницанию R_и должно быть не менее требуемого по СНиП II-3-79**, п. 5.1, R_и^тр, (м²×ч×Па)/кг:

 

R_и³R_и^тр=Dр/G_н, (1.15)

 

где: G_н – нормативная воздухопроницаемость ограждающей конструкции, кг/(м²ч).

Сопротивление воздухопроницанию многослойной ограждающей конструкции R_и, (м²×ч×Па)/кг, определяют по формуле:

 

R_и=R_и1+R_и2+…+R_ип, (1.16)

 

где: R_и1, R_и2,… R_ип, – сопротивления воздухопроницанию отдельных слоёв ограждающей конструкции, (м²×ч×Па)/кг.

Влажность. Повышение влажности строительных материалов увеличивает их теплопроводность, что существенно снижает теплозащитные качества ограждений. Влажный строительный материал неприемлем и с гигиенической точки зрения (появляются плесень, грибки, повышается влажность воздуха в помещении). Кроме того, повышенная влажность материала ограждения оказывает соответствующее влияние и на её долговечность.

Пути попадания влаги:

- строительная влага – вносится при возведении зданий или при изготовлении ж/б конструкций;

- грунтовая влага – проникает в ограждение вследствие капиллярного всасывания;

- атмосферная влага – попадает при косом дожде или неисправной кровле;

- эксплуатационная влага – в процессе эксплуатации зданий;

- гигроскопическая влага – вследствие гигроскопичности материала ограждения;

- конденсационная влага – влага из воздуха может конденсироваться как на внутренней поверхности ограждения, так и в его толще.

Разность величин упругости водяного пара с одной и с другой стороны ограждения вызывает диффузионный поток водяного пара через ограждение от внутренней поверхности к наружной. Количество водяного пара, диффундирующего в стационарных условиях через плоскую однородную стенку, можно определить из выражения:

 

G=(e_в-e_н)(m/d), (1.17)

 

где: G – количество диффундирующего пара, кг;

e_в и e_н – упругости водяного пара у внутренней и наружной поверхностей, Па;

m - коэффициент паропроницаемости материала стенки, кг/(м×ч×Па);

d – толщина стенки, м.

Коэффициент паропроницаемости материала зависит от физических свойств данного материала и представляет собой количество водяного пара, которое диффундирует в течение 1 ч через 1 м² плоской стенки толщиной 1 м при разности упругостей водяного пара с одной и другой стороны, равной 1 Па.

Сопротивление паропроницанию (величина, обратная коэффициенту паропроницаемости) для однородного слоя материала определяется по формуле:

 

R_п=d/m. (1.18)

 

Для предупреждения конденсации влаги на внутренней поверхности наружного ограждения необходимо, чтобы t_в>t_р. Температура точки росы t_р воздуха помещения определяется по формуле:

 

t_р = 20,1 -( 5,75 - 0,00206 e_в)². (1.19)

 

Если условие t_в>t_р не соблюдается, то необходимо увеличить сопротивление теплопередаче ограждения R₀. Кроме того, целесообразны вентилирование помещений, обдувка или обогрев внутренних поверхностей ограждения.