Рис. 1. Расход воздуха в зависимости от массы и активности человека
Рис. 2. Схема воздухообмена, реализующая формулу 5
Рис. 3. Основная оптимальная схема воздухообмена
Рис. 4. Зависимость комфортной температуры от фактора конструкции
Рис. 5. Зависимость комфортной температуры от типа одежды и метаболизма
Табл. 1. Нормативные требования подачи наружного воздуха
Понятие комфорта является одним из основных в терминологии систем кондиционирования воздуха. Влияние данного фактора, а точнее, смыслового содержания, которое мы вкладываем в понятие «комфорт», в значительной степени формирует все показатели СКВ. Достаточно отметить, что изменение одного из показателей комфорта — температуры внутреннего воздуха — на 1 градус изменяет расчетную мощность системы кондиционирования на 10%.
Определение комфорта, вынесенное в эпиграф, показывает широту данного понятия и зависимость от трех факторов: удобства, спокойствия, уюта. Удобный — приятный при пользовании. Уют — удобный порядок, приятная устроенность быта, обстановки. Спокойствие — отсутствие движения, забот, тревог. Отсюда следует, что определяющим в понятии «комфорт» является субъективный фактор — восприятие человеком окружающей среды, т.е. индивидуальный для каждого человека и затрагивающий как внутреннее состояние человека (первая составляющая комфорта), так и параметры окружающей среды (вторая составляющая комфорта).
Понятие «комфорт» многогранно, включает в себя многие факторы: строительный дизайн помещений, вид из окна, цветовую гамму окружающей мебели, эргономичность используемого оборудования, отношения в рабочем коллективе, параметры окружающего микроклимата и т.д. Так как по своему назначению системы кондиционирования воздуха могут изменять только термодинамические и гигиенические параметры воздушной среды помещения, то логично использовать понятие комфортный микроклимат помещения, которое входит в общую категорию комфорта и оперирует такими параметрами микроклимата, как температура, влажность, подвижность и газовый состав окружающего воздуха.
Задаче определения численных значений параметров комфортного микроклимата посвящено большое количество исследований. В отечественной специализированной литературе существует понятие условий комфортности [1].
Первое условие комфортности температурной обстановки определяет такую область сочетаний температуры внутреннего воздуха tв и радиационной температуры помещения tR, при которых человек, находясь в центре рабочей зоны, не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения. Таким образом, первое условие комфортности оперирует понятиями температуры внутреннего воздуха tв и радиационной температуры помещения tR.
Остальные параметры внутреннего воздуха и индивидуальные характеристики человека не учитываются. По своему логическому содержанию, первое условие комфортности является уравнением энергетического баланса организма человека и окружающей среды и определяет такие сочетания параметров окружающей среды, при которых количество тепловой энергии, вырабатываемой организмом, равно количеству теплоты, отдаваемой в окружающую среду:
Qокр. = М ×(1– η),(1)
где М— энергия метаболизма организма, Вт; η— коэффициент полезного действия механической работы; Qокр. — теплоотдача организма в окружающую среду, Вт. Датский профессор Оле Фангер в результате исследований получил формулу энергетического баланса организма человека, которая учитывает значительное количество параметров окружающего микроклимата и индивидуальные характеристики человека [8].
(M/A)×(1 – η) – 0,35 ×(1,92 × ts – 25,3 – pa) – (E/A) – 0,0023 ×(M/A)×(44 – pa) – 0,0014 ×(M/A)×(34 – ta) = (ts – tcl )/(0,18 × Icl ) = 3,4 × 10–8 × fcl × [(tcl + 273)4 – (tmrt + 273)4] + fcl × hc ×(tcl – ta), (2)
где М — уровень теплопродукции; А — площадь поверхности тела; η— коэффициент полезной деятельности механической работы мышц; ts — средневзвешенная температура кожи; pa — парциальное давление водяных паров в окружающем воздухе; E — теплопотери вследствие испарения пота; Icl — термическое сопротивление от кожи до наружной поверхности одежды; fcl — отношение поверхности одетого человека к поверхности того же обнаженного человека; ta — температура воздуха; tmrt — средняя радиационная температура; hc — коэффициент конвективного переноса тепла; tcl — средняя температура наружной поверхности одетого человека.
Несмотря на кажущуюся полноту уравнения Фангера, раскрывающего первое условие комфортности, данный вопрос рассмотрен не полностью. В уравнении учтены три параметра окружающей среды, являющиеся предметом регулирования систем кондиционирования воздуха: температура, влажность и подвижность воздуха. Не учтен такой важный параметр, как газовый состав воздуха. Газовый состав воздуха является предметом регулирования в системах кондиционирования.
К тому же нельзя назвать комфортными условия микроклимата, которые удовлетворяют уравнению Фангера, но не удовлетворяют требованиям по газовому составу воздуха. Все это говорит о том, что первое условие комфортности должно рассматриваться как условие энергетического и материального баланса человека и окружающей среды. Причем материальный баланс с точки зрения СКВ необходимо рассматривать как баланс воздушный.
Потребление воздуха человеком в значительной степени зависит от его активности. В состоянии полного покоя минимальное удельное потребление кислорода lO2 равно 4,74 × 10–8 м3/(кг⋅°C) [3]. При нормальном атмосферном давлении 760 мм рт. ст. содержание кислорода в воздухе равно 20,9%. Содержание кислорода в выдыхаемом воздухе меньше на 6%. Тогда удельное потребление воздуха lM человеком в состоянии покоя равно:
lM =4,74 × 10–8 × 100/6 = 7,90 × 10–7 м3/(кг⋅°C). (3)
Продуктом окислительных реакций, происходящих в организме, является углекислота (СО2). Количество выделяемой углекислоты зависит от потребления кислорода, рациона питания (соотношения между углеводами и жирами) и индивидуальных особенностей организма (пола, возраста, массы тела и т.д.) Отношение объемов выделенной углекислоты и потребленного кислорода называется дыхательным коэффициентом kд.
При чисто жировой диете дыхательный коэффициент имеет наименьшее значение (0,7), а при углеводной диете возрастает до 1,00. При расчетах рекомендуется принимать величину дыхательного коэффициента, равную 0,82 [4]. Объемная концентрация углекислого газа в выдыхаемом воздухе:
с 2 СО2 = с 1 СО2 + (с 1 О2 – с 2 О2 )× kд = 0,03 + 6 × 0,82 = 4,95%, (4)
где с 1 СО2 — объемная концентрация углекислого газа в наружном воздухе, %; с 1 О2 — объемная концентрация кислорода в наружном воздухе, %; с 2 О2 — объемная концентрация кислорода в выдыхаемом воздухе, %. Концентрация углекислого газа в выдыхаемом воздухе равна 4,95%. Предельно допустимая концентрация углекислого газа во внутреннем воздухе помещений равна 0,1%. Следовательно ПДК СО2 в выдыхаемом воздухе превышено в 49 раз. Потребление воздуха человеком зависит от его массы m и активности А:
LМ = lM × m × A × 3600, м3/ч. (5)
Величина активности определяется следующими пределами [5]: для легкой работы — 1 < A < 2; для работы средней тяжести — 2 < A < 4; для тяжелой работы — 4 < A < 8. На рис. 1 изображен требуемый расход воздуха для человека, в зависимости от его массы m и активности А. Сравним полученные данные с нормативными требованиями подачи наружного воздуха на одного человека [6] (табл. 1). Расчетные данные требуемого количества воздуха значительно меньше нормативных данных. Различия составляют более 50 раз. Объясняется это расчетными условиями организации воздухообмена помещений. Расчет необходимого количества воздуха ведется не из условия подачи воздуха в объеме дыхания для людей, а из условия ассимиляции выделяющихся вредностей [6].
Lнар. = М/(сПДК – снар. ),(6)
где Lнар. — необходимое количество наружного воздуха, м3/ч; M — масса выделяющихся вредных веществ при дыхании, г/ч; сПДК — предельно допустимая концентрация выделяющегося вредного вещества в воздухе рабочей зоны, г/м3; снар. — концентрация вредного вещества в наружном воздухе, г/м3. Схема воздухообмена, которая реализует формулу 5, изображена на рис. 2.
В помещение поступает наружный воздух I в объеме, необходимом для ассимиляции выделяющихся вредностей. В результате перемешивания с внутренним воздухом IV одна часть наружного воздуха удаляется вместе с вытяжным, другая часть наружного воздуха поступает в зону дыхания человека. Человек вдыхает примерно одну сотую объема наружного воздуха II с концентрацией углекислого газа, примерно равной ПДК, и выдыхает количество воздуха III с концентрацией углекислого газа, значительно больше ПДК.
Затем этот воздух III снова смешивается с внутренним воздухом, поступает к вытяжным отверстиям V и удаляется. Вот схема воздухообмена, которая реализует формулу (5). Можно отметить два основных недостатка данной схемы воздухообмена и соответственно методики расчета. Первое— человек дышит не чистым воздухом с низкой концентрацией углекислого газа, а смесью наружного воздуха с продуктами дыхания. Второе— расход наружного воздуха в 50 раз больше, чем объем воздуха, необходимый человеку для дыхания.
Бесспорно, значительное сокращение расхода наружного воздуха, подающегося для обеспечения жизнедеятельности людей, приведет к значительному сокращению энергии на его обработку. Достаточно отметить, что расход тепловой энергии на обогрев приточного воздуха превышает расход энергии на системы отопления здания. Поэтому задача сокращения общего воздухообмена зданий весьма актуальна.
Доктор Фангер в статье «Качество внутреннего воздуха в ХХI веке: в поисках совершенства» [2] основным фактором повышения качества внутреннего воздуха видит необходимость подачи в зону дыхания конкретного потребителя индивидуального свежего воздуха. Основной схемой воздухообмена, позволяющей подать непосредственно в зону дыхания людей свежий воздух и соответственно, сократить количество наружного воздуха, является схема, изображенная на рис. 3.
Так как при данной схеме воздухообмена человек дышит свежим воздухом, то соответственно нет необходимости в подаче количества наружного воздуха, рассчитанного из условия ассимиляции выделяющегося СО2.
Для характеристики схемы воздухообмена автор считает целесообразным ввести понятие коэффициента воздухообмена, который равен отношению объемов необходимого наружного воздуха и воздуха для дыхания: kв = LH/LM.(7)
Коэффициент воздухообмена является показателем эффективности работы системы вентиляции. Чем меньше коэффициент воздухообмена, тем выше эффективность использования наружного воздуха. Разные схемы вентиляции должны иметь разные коэффициенты воздухообмена. Минимальное значение kв равно 1, когда количество наружного воздуха подается только в объеме, необходимом для дыхания.
Без сомнения, экономичность такой схемы вентиляции очень высокая, однако реализовать ее возможно только с применением дыхательных аппаратов в виде масок. Значение kв при вентиляции смешивающего типа, расчет которой ведется по ассимиляции СО2 до ПДК, можно определить следующим образом.
kв = LПДК/LM = M/[(cПДК – cН) × (lM × m × A × 3600)]. (8)
Если перейти от массовой концентрации СО2 к объемной и измерению времени в секундах, то формула (8) примет вид:
kв = (lO2 × m × A × kд)/ /[lM × m × A ×(cПДК – cнар. )] = (lO2 × kд)/[lM ×(cПДК – cнар. )]. (9)
Подставляя значения в формулу (9), получаем значение kв = 70,3. Таким образом, требуемый расход наружного воздуха, подаваемого в помещение, в значительной степени зависит от схемы вентиляции и соответственно коэффициента воздухообмена:
Lнар. = kв × lМ × m × A × 3600. (10)
Насколько схема вентиляции, изображенная на рис. 3, способна уменьшить коэффициент воздухообмена помещения? Попробуем ответить на этот вопрос. При дыхании в состоянии покоя человек тратит примерно 35% времени на вдох, 35% на выдох, 30% промежуток между выдохом и вдохом. Следовательно, человек может использовать около 35% воздуха, подающегося в зону дыхания. Коэффициент воздухообмена в данном случае будет равен:
kв = 1/0,35 = 2,8 ≈ 3. (11)
Расход индивидуального количества наружного воздуха, подаваемого в зону дыхания одного «среднего» человека:
Lнар. = kв × lМ ×m × A × 3600 = 3 × 7,90 × 10–7 × 70 × 2 × 3600 = 1,2 м3/ч. (2)
Сравнивая полученную величину 1,2 м3 /ч с нормативной величиной 20 или 60 м3/ч наружного воздуха при ассимилирующей вентиляции, становятся очевидными, в частности, преимущества индивидуальной вентиляции, как с позиции энергосбережения, так и с позиции качества подаваемого воздуха.
Второе условие комфортности определяет допустимые температуры нагретых и охлажденных поверхностей при нахождении человека в непосредственной близости от них. С математической точки зрения, второе условие комфортности определяет границы изменения переменных, входящих в первое условие комфортности. Действительно, не все сочетания параметров окружающего воздуха, удовлетворяющих первому условию комфортности, являются комфортными для человека.
Например, можно так подобрать температуру внутреннего воздуха и радиационную температуру помещения, при которых организм человека будет находиться в тепловом балансе с окружающей средой, но большие значения радиационной температуры будут вызывать дискомфорт и перегрев отдельных участков тела. Не вдаваясь в особенности изменения предельных значений, можно выделить следующие границы параметров первого условия комфортности (одежда от 0,5 до 1,0 Clo; легкая работа; масса человека от 40 до 110 кг):
- Температура внутреннего воздуха: 14–27°С.
- Относительная влажность внутреннего воздуха: 30–70%.
- Скорость движения воздуха: 0–0,6 м/с.
- Расход воздуха на одного человека: 0,2–0,6 м3/ч.
Третье условие комфортности
В начале данной статьи было определено, что понятие комфорта является в первую очередь субъективным и зависящим от индивидуальных характеристик человека. С.И. Бурцевым и Ю.Н. Цветковым [5] получена зависимость комфортной температуры окружающего воздуха от индивидуальных характеристик человека. На рис. 4 комфортная температура меняется при изменении фактора конструкции человека, который численно равен его массе, деленной на площадь поверхности тела.
При увеличении фактора конструкции человека комфортная температура окружающего воздуха уменьшается. Это объясняется необходимостью увеличения теплообмена с окружающей средой при одинаковой площади тела, но больших теплоизбытках. За счет понижения температуры окружающего воздуха достигается тепловой баланс организма человека. Так же на комфортную для организма температуру внутреннего воздуха влияют тип одежды и величина метаболизма [7].
На рис. 5 изображена зависимость комфортной температуры человека от данных факторов. Величина метаболизма человека зависит от многих факторов: активности, массы, роста, питания, возраста и т.д. Поэтому определение значения этой величины для конкретного человека с медицинской точки зрения невозможно. Так же невозможно заранее определить, какой тип одежды выберет человек, какой у него будет рост, вес и фактор конструкции.
Следовательно, при проектировании систем кондиционирования определить комфортную температуру для конкретного человека невозможно. Но согласно первому условию комфортности такая температура существует. Согласно второму условию комфортности, такая температура лежит в определенных пределах. Поэтому, выбрав в качестве расчетной любую температуру внутреннего воздуха в помещении (например, 22°С), можно установить систему кондиционирования, которая будет ее поддерживать.
Данный микроклимат в помещении будет удовлетворять первому и второму условию комфортности. Но если метаболизм человека будет по каким-либо причинам отличаться от расчетного, или он оденет костюм с большей плотностью, или его физическая активность будет несколько больше, чем обычно, или его коэффициент конструкции будет отличаться от стандартного— все это приведет к тому, что температура в помещении не будет комфортной. Несмотря на выполнение первого и второго условий комфортности.
Поэтому для удовлетворения потребностей конкретного человека, чтобы индивидуальный уровень теплопродукции соответствовал теплопотерям в окружающую среду, температура внутреннего воздуха должна устанавливаться индивидуально. Отсюда автор считает необходимым ввести третье условие комфортности: параметры внутреннего микроклимата должны иметь возможность индивидуального регулирования с целью соответствия субъективным ощущением комфорта потребителя.
Одним из основных параметров, влияющих на теплообмен человека с окружающей средой, является температура внутреннего воздуха. Поэтому в первую очередь возможностью регулирования должен обладать данный параметр микроклимата (что и реализуется в современных системах кондиционирования).
Категория свободы занимает одно из ведущих мест среди других общечеловеческих ценностей, поэтому индивидуальное изменение параметров микроклимата поднимает системы кондиционирования на качественно новый уровень, делает человека более свободным и независимым.
Основные выводы
- Первое условие комфортности должно рассматриваться как условие энергетического и воздушного баланса человека и окружающей среды.
- Требуемый расход наружного воздуха подаваемого в помещение в значительной степени зависит от коэффициента воздухообмена.
- Местная система приточной вентиляции, подающая воздух непосредственно в зону дыхания людей, позволяет улучшить качество вдыхаемого воздуха и значительно уменьшить общеобменную вентиляцию.
- Комфортные параметры внутреннего микроклимата зависят от индивидуальных характеристик и требований людей.
- Параметры внутреннего микроклимата должны иметь возможность индивидуального регулирования с целью соответствия субъективным ощущением комфорта потребителя.
