Создание комфортных условий Современная жизнь заставляет человека значительную часть суток проводить в помещении, будь то квартира, офис, производственные цеха и т.п. В среднем городские жители более 90% времени находятся внутри зданий, испытывая воздействие искусственной окружающей среды. Создание комфортных условий является залогом здоровья. Если обогрев, вентиляция, освещение и водоснабжение в большинстве случаев обеспечиваются в той или иной степени, то проблема поддержания необходимого уровня влажности в помещениях зачастую решается по остаточному принципу или не решается вовсе. Вместе с тем, фактор влажности играет значительную роль, являясь полноправной составляющей триады основных показателей степени комфорта (температура воздуха - его подвижность - влажность). Математически формализованная взаимосвязь указанных показателей по 6-бальной шкале оценки уровня комфорта определяется международным стандартом ISO 7730 с использованием вычисляемых индексов PMV и PPD. Известно, что человеческое тело на 85% состоит из воды, и поэтому сохранение баланса влажности - одно из основных условий сохранения здоровья и хорошего самочувствия. Особую роль увлажнение воздуха играет в зимний период, когда, даже при высокой относительной влажности атмосферного воздуха, его абсолютное влагосодержание является, как правило, чрезвычайно низким. Поступая в помещение, воздух нагревается. При этом его абсолютное влагосодержание остается неизменным, а относительная влажность резко падает. Для поддержания относительной влажности на приемлемом уровне требуется искусственное увлажнение воздуха, причем зачастую достаточно интенсивное. Указанное положение наглядным образом иллюстрирует рис. 1 ~11~. Результаты более детальных расчетов представлены на графиках. Используя климатические данные по параметрам "А" и "Б", приведенные в СНиП 2.04.05-91* "Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха", произведен расчет дефицита влаги (рис. 2 ~12~) в помещении, определяющий потребное количество влаги в граммах, которое необходимо добавить каждому килограмму воздуха, поступающему в помещение для достижения заданной влажности при комнатной температуре 20°С. Актуальность проблемы увлажнения воздуха иллюстрируется графиками относительной влажности в помещениях (рис. 2) в расчете на климатические данные по параметрам "А" и "Б" для некоторых городов России. Приведенные данные свидетельствуют, что практически во всех регионах России относительная влажность в холодный период при отсутствии искусственного увлажнения опускается существенно ниже регламентируемых значений. Последние составляют в среднем 50-60%. В регионах с резко континентальным климатом при нагреве воздуха в зимний период до комнатной температуры 20°С относительная влажность падает практически до 0%. Для сравнения следует указать, что относительная влажность воздуха в пустыне Сахара не опускается ниже 15%! Помимо обеспечения комфорта поддержание необходимого уровня влажности является также чрезвычайно важным с санитарно-гигиенической точки зрения. Известно, что бактериальная флора (pneumococcus, staphylococcus, streptococcus) угнетается в 20 раз интенсивнее при относительной влажности воздуха от 45 до 55%, чем при влажности воздуха выше 70% и ниже 20%. Основные физиологические признаки пониженной влажности воздуха: - Сухость во рту, постоянное чувство жажды. - Першение в гортани. - Воспаление глаз. - Натирание слизистых оболочек глаз контактными линзами. Поскольку линзы обладают достаточной гигроскопичностью, они поглощают и выделяют влагу с поверхности глаз. Если воздух очень сухой, то линзы быстро высыхают и деформируются. Помимо этого, иссушение поверхности приводит к образованию вязкой пленки, которая мешает веку очищать линзу при моргании. Эта же пленка способствует ускоренному скоплению белков и бактерий, что приводит к инфицированию глаз. Исследования глазных инфекций, возникающих при ношении контактных линз, показывают существенный рост числа этих заболеваний в зимний период. - Раздражение носовых пазух. - Потеря эластичности кожи. - Возникновение экзем, выражающихся в ороговении верхнего слоя кожи, которая становится склонной к воспалению. - Растрескивание слизистых оболочек губ. - Учащенные приступы астмы. - Повышенная инфекционная и респираторная заболеваемость, обусловленные снижением очищающей способности бронхиальной системы, ослаблением защитной функции респираторного эпителия и ослаблением иммунной системы за счет дегидратации организма. - Носовые кровотечения. - Хронические мышечные боли и боли в суставах. - Симптомы недостаточного потребления кислорода (плохая концентрация внимания, быстрая утомляемость). Основные физические проявления пониженной влажности воздуха: - Электростатические разряды. - Расстроенные музыкальные инструменты. - Трещины на изделиях из дерева (мебель, внутренняя отделка помещений, паркет). - Повышенная запыленность. - Высыхание и нарушение электрической изоляции кабелей. Поддержание требуемого уровня влажности на промышленных объектах Необходимость увлажнения воздуха в отдельных отраслях промышленности обуславливается различными причинами. В текстильной промышленности: - Пряжа при низкой влажности теряет свою эластичность, становится менее прочной и проявляет склонность к обрывам. При прохождении волокон через ткацкий станок, в случае пересушки они становятся ломкими и рвутся, приводя к простоям, снижению производительности труда и браку, который в ряде случаев достигает десятков процентов. - При обрыве волокон образуется пух, что часто приводит к загрязнению воздушной среды цеха, создавая недопустимую санитарно-гигиеническую обстановку. Особенно остро проблема стоит на хлопкопрядильных фабриках и в цехах по производству асбестовых тканей. В типографском производстве: - При потере бумагой влаги она уменьшается в размерах. Это приводит к трудностям при совмещении красок, особенно при печати, использующей несколько прогонов. - Колебания влажности в течение рабочего дня вынуждают производить частую настройку матричных каландров, что приводит к снижению производительности труда и увеличению простоев дорогостоящего оборудования. - В стопке края бумаги сохнут гораздо быстрее, чем середина. Это приводит к короблению бумаги и, соответственно, к неправильной подаче бумаги и образованию складок. Эффективное увлажнение воздуха позволяет устранить эту проблему. - Статическое электричество, накапливающееся в сухой бумаге, усложняет процессы подборки, сортировки и укладки печатных листов. Эффективное увлажнение воздуха предотвращает накопление статических зарядов, устраняя эти недостатки. - Сухая бумага ломается на сгибах. - Обрыв сухой бумаги при рулонной печати происходит гораздо чаще. - При использовании инфракрасных или других сушек бумага подвергается большим термическим нагрузкам. Увлажнение воздуха существенно снижает этот эффект. - Эффективное увлажнение воздуха позволяет уменьшить запыленность помещения, тем самым, улучшая качество печати. - Поддержание необходимой влажности способствует снижению расхода краски (чернил), так как слишком сухая бумага поглощает избыточное их количество. - Увлажнение обладает сильным охлаждающим эффектом, что позволяет в летний период поддерживать нужную температуру в помещении при минимальных энергетических и капитальных затратах. На деревообрабатывающих предприятиях: - При пересыхании древесины происходит образование поверхностных трещин, ее расслаивание, растрескивание и деформирование. - Пересушенная древесина поглощает растворяющие вещества из лакокрасочных покрытий, в результате чего поверхность становится шероховатой, имеет место потеря глянца. - Клеевые швы оказываются недолговечными, так как пересушенная древесина впитает растворитель до момента отвердевания клея. - Необходимо поддержание стабильной влажности воздуха, чтобы древесина сохраняла свои размеры в течение всего производственного цикла. Фотолаборатории: - Большинство промышленных фотолабораторий оснащается системами увлажнения для устранения статического разряда, в результате которого происходит засветка пленки. Это особенно важно при проявлении медицинских рентгеновских снимков. В квартирах, офисах: - Рассыхание мебели, отслоение инкрустации, панельной обшивки. - Накопление и разряды статического электричества, особенно при широком использовании синтетических отделочных материалов. - Высушенные волокна ковров ломаются от хождения по ним людей, в результате чего происходит преждевременный износ ковров и увеличивается содержание пыли. На объектах коммунального назначения (музеи, библиотеки, турецкие бани): - Ввиду высокой стоимости произведений искусства стабильность требуемых параметров окружающей среды играет немаловажную роль при их долгосрочном хранении. Линейные деформации картин приводят к образованию трещин в поверхностном слое. В силу этого многие передвижные выставки заранее оговаривают требуемый уровень влажности в качестве условия открытия выставки. В электронной промышленности: - Электростатические заряды при относительной влажности воздуха менее 35% могут накапливаться до опасного уровня, создавая угрозу пробоя диэлектриков, что приводит к серьезным последствиям. - Эффективное увлажнение воздуха позволяет уменьшить запыленность помещения. - При производстве микросхем даже незначительное изменение размеров кремниевой пластины при фотомаскировании приводит к недопустимому относительному смещению маски, что является наиболее распространенной причиной брака. - В "чистых комнатах" критичным является содержание взвешенных в воздухе пылевых частиц. Например, обычное шелушение человеческой кожи в таком помещении может привести к катастрофическим последствиям. В технологическом процессе точного литья: - Объектом внимания здесь служит не конечный продукт, а гигроскопические материалы, используемые в технологическом процессе. В точном литье по выплавляемым моделям, сначала выполняется восковая матрица детали, которую затем погружают в фарфор. Во время сушки и отвердевания фарфора и воска, если воздух будет слишком сухим, то фарфор даст большую усадку, чем воск, и на модели появятся микротрещины. При заливке жидкий металл повторит все эти трещины и в результате получится отливка, уже неподдающаяся исправлению. Ракетно-космические технологии: - На заводах таких компаний, как Boeing, McDonnel Douglas, Hughes Aircraft и Lockheed, регулирование уровня влажности стало первостепенной задачей после внедрения новых технологий "Стелс". Антирадарное покрытие весьма чувствительно к деформациям в процессе сушки, потому что в результате слишком быстрого процесса высыхания верхнего слоя покрытия образуются трещины, через которые незащищенный металл отражает радиолокационные сигналы. - Недавняя катастрофа с челночным космическим аппаратом типа спейс-шаттл Columbia по возвращении на землю обусловлена потерей нескольких теплозащитных плиток. Согласно одной из версий проблема заключалась в том, что была нарушена технология нанесения клея, используемого для крепления теплозащитных плиток, по причине недостаточно эффективной системы поддержания требуемой влажности в производственном помещении. Пищевая промышленность (холодильные камеры, сыроварение, винные погреба, хлебопечение): - Мясо сохраняет естественный цвет без применения нитратов, если его хранить в специальных морозильных камерах с повышенным уровнем влажности. - Если овощ или фрукт потеряет достаточно много влаги, то клетчатка сморщивается и никакое увлажнение уже не поможет, в связи с чем так важно поддерживать достаточный уровень влажности в местах хранения продуктов. Сельскохозяйственное производство (теплицы, парники, инкубаторы) - Яйца теряют до 50% веса в сухой атмосфере, поскольку скорлупа является пористым материалом. В инкубаторах, сухость воздуха приводит к потере до 25% выводка, и, даже после вылупления, интенсивный процесс испарения влаги может привести к переохлаждению и гибели цыплят. - Сухой воздух нарушает нормальное состояние животных, что отрицательно сказывается на их способности к спариванию. Оценка дефицита влаги Оценка дефицита влаги и, соответственно, потребной производительности увлажнения зависит от наличия или отсутствия внутренних источников влаговыделения. В последнем случае расчет производится по следующей формуле. ~1~ При наличии внутренних источников влаговыделений их интенсивность определяется на основе данных инструментальных измерений, используя следующую формулу ~2~ Дефицит влажности в данном случае определится следующим образом: ~3~ Подставляя (1) и (2) в (3), имеем ~4~ Исходные данные, используемые в приведенных выше формулах, определяются следующими двумя способами: 1. Xатм определяется на основе значений температуры воздуха и удельной энтальпии, которые приводятся в качестве климатических данных по параметрам "А" и "Б" для основных городов России и бывших советских республик в СНиП 2.04.05-91* "Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха". 2. Xтреб и Xсущ определяются на основе значений температуры воздуха и его относительной влажности. Xсущ предполагает проведение соответствующих инструментальных измерений. Xтреб основывается на нормативных значениях температуры воздуха и его относительной влажности, которые приводятся в спецификациях и технических условиях на используемое технологическое оборудование, а также в ведомственных требованиях и правилах, регламентирующих инженерное обеспечение соответствующих производств. Вне упомянутых выше производственных сфер, предъявляющих особые требования к поддержанию влажности воздуха, в обычной практике используются значения температуры воздуха и его относительной влажности, которые в качестве санитарно-гигиенических показателей, обеспечивающих достаточную степень комфорта, содержатся в ГОСТ 30494-96 "Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата", а также в ГОСТ 12.1.005-88 "Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны". Оба указанных способа предварительных вычислений необходимых исходных данных реализуемы графоаналитическим образом с помощью i-d -диаграммы. Вместе с тем, i-d -диаграмма в ряде случаев не обеспечивает приемлемой точности. В связи с этим ниже приводятся формулы, с использованием которых возможен расчет влагосодержания воздуха обоими способами: 1. Известны температура (t, °С) и удельная энтальпия(h, кДж/кг) воздуха. Требуется определить его влагосодержание(X, г/кг). Простейший расчет производится с использованием следующей формулы: ~5~ где: Cра - удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении при 0°С (1 кДж/(кг•°С); Cрv - удельная теплоемкость паров воды при постоянном давлении при 0°С (1,805 кДж/(кг•°С); hg - удельная энтальпия насыщенных водяных паров при 0°С (2501 кДж/кг). В качестве примера в табл. 1 ~13~ приведены результаты расчета для Москвы и Санкт-Петербурга. 2. Известны температура (t, °С) и относительная влажность воздуха (φ, %). Требуется определить его влагосодержание (X, г/кг). Расчет сводится к использованию следующей последовательности формул: ~6~ где: MV - молекулярная масса воды (0,01802 кг/моль); MA - молекулярная масса воздуха (0,02896 кг/моль); p - атмосферное давление (101330 Па на уровне моря); pV - парциальное давление паров воды, Па. ~7~ где: pA - парциальное давление сухого воздуха, Па. ~8~ где: ps - давление паров насыщения, Па. При температурах от 0 до +200°С ~9~ где: a = -5,8002206і103; b = 1,3914993; c = -4,8640239і10-2; d = 4,1764768і10-5; e = -1,4452093і10-8; f = 6,5459673; T = t + 273,15 (градусов Kельвина). Подставляя (7-9) в (6), имеем ~10~ В качестве примера в табл. 2 ~13~ приведены результаты расчета допустимого влагосодержания на постоянных рабочих местах при выполнении работ различной степени тяжести.