КУРС ЛЕКЦИЙ С КОНТРОЛЬНЫМИ ВОПРОСАМИ ПО ОСНОВАМ СОЗДАНИЯ МИКРОКЛИМАТА В ПОМЕЩЕНИИ
учебно-методическое пособие

ОБЛАСТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«БЕЛГОРОДСКИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

КУРС ЛЕКЦИЙ  С КОНТРОЛЬНЫМИ ВОПРОСАМИ ПО

ОСНОВАМ СОЗДАНИЯ МИКРОКЛИМАТА В ПОМЕЩЕНИИ

Дисциплина:                              

ОП04  Системы и оборудование для создания микроклимата в помещениях

Специальность:15.02.13 Техническое обслуживание и ремонт систем вентиляции и кондиционирования.

Студента группы_________

_____________________________________________

Белгород, 2022

Введение

Конспект лекций дисциплины ОП04  Системы и оборудование для создания микроклимата в помещениях предназначен для студентов, изучающих в рамках специальности 15.02.13 Техническое обслуживание и ремонт систем вентиляции и кондиционирования одноименную дисциплину. Содержание пособия соответствует программе дисциплины и в значительной мере ориентировано на курс лекций ОП04  Системы и оборудование для создания микроклимата в помещениях.

Известно, что теоретические основы специальности составляет комплекс фундаментальных теоретических и прикладных наук, таких, как Физика, Матема-тика, Механика, Химия, Теплотехника, Гидромеханика, Архитектура, Информатика, Прикладная гигиена, Прикладная климатология и других. Эти дисциплины в разной степени детализации и разном объеме изучаются студентами.

Наряду с фундаментальными науками по мере развития техники и технологии обеспечения микроклимата в помещении возникла и развивается прикладная наука о процессах переноса и трансформации в помещении потоков тепла, влаги, газообразных примесей и аэрозолей, формирующих параметры среды обитания, в которой человек осуществляет свою функциональную деятельность. Содержание этой науки составляют многочисленные исследования, проводившиеся особенно активно в середине 20-го века отечественными и зарубежными специалистами.

Цель курса –овладение научно-теоретическими основами обеспечения мик-роклимата в помещении и способами их реализации при проектировании и экс-плуатации средств обеспечения микроклимата помещения.

1. Общее представление о формировании микроклимата

Внутренняя среда помещения, проявляющаяся в большом числе факторов воздействия на человека, называется микроклиматом помещения.

Среди факторов внутренней среды выделим комплекс микроклиматических условий, оказывающих наиболее ощутимое физиологическое воздействие на человека. К ним относят тепловые условия в помещении и состав внутреннего воздуха.

Тепловые условия в настоящее время принято оценивать температурой воздуха, радиационной температурой помещения, относительной влажностью и подвижностью воздуха.

Состав воздуха характеризуется концентрацией углекислоты, концентраци- ей вредных газов, паров, пыли. Восприятие воздуха характеризуется также озоно-ионным составом и запахами.

Параметры микроклимата формируются (см. рис. 1.1) в результате воздей- ствия на помещение наружной среды, технологического процесса в помещении и систем отопления и охлаждения (СО) и вентиляции (СВ) или кондиционирова- ния воздуха (СКВ).

Рис.1.1. Структурная схема формирования микроклимата.

МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЯ

Тепла Влаги

Внутрн няя среда здания

Наружная среда оказыва- ет влияние на тепловые па- раметры микроклимата опо- средовано через ограждающие конструкции        (тепло- влагопередача и воздухо- проницаемость) и внутренние связи между помещениями.

2. Процессы формирования микроклимата

Как упоминалось выше, микроклимат помещения характеризуется комплексом параметров, определяющих тепловое состояние помещения и газовый состав воздуха.

Стоки тепла (тепловые потоки, направленные из помещения), как правило – теплопотери через наружные ограждения и тепловые потоки с охлажденным воз- духом. Источники и стоки могут быть чисто конвективными и смешанными – лучисто-конвективными.

Перемещение потоков воздуха имеет место как между помещениями в преде- лах здания, так и в пределах одного помещения.

Потоки воздуха, попадающие в помещение из других помещений, несут с собой газовые примеси, загрязняющие воздух помещения. Наружный воздух, как пра- вило, охлаждает помещение.

Рис.2.1.Схема        вертикального        перемещения        потоков воздуха в здании

v

Перемещение воздуха между помещениями по вертикали здания обу- словлено вертикальным распределением разности давления снаружи и внутри здания при разности объемного веса наружного и внутреннего воздуха. В боль- шинстве случаев объемный вес наружного воздуха больше, поэтому потоки воз- духа имеют направление снизу вверх.

Горизонтальное перемещение воздуха связано с действием ветра на здание. При этом воздух инфильтруется в помещение через неплотности наружных ограждений с наветренной стороны здания, а эксфильтруется наружу.

ние воздуха в помещении связано с действием вентиляционных струй. В ре- зультате перемещения потоков воздуха в объеме помещения имеет место нерав- номерное распределение газовых примесей, температуры, влажности и подвиж- ности воздуха. В пределах рабочей зоны помещения возникают застойные зоны с вихреобразным движением воздуха, в которых могут накапливаться вредные примеси, что недопустимо.

Молекулярная диффузия паров и газов в воздухе имеет место за счет разности парциального давление в непосредственной близости от источника примесей и в удалении от него. Вследствие подвижности воздуха скорость распространения вредных примесей в объеме помещения во много раз превышает скорость диффу- зии . Поэтому этот процесс не оказывает существенного влияния на формирова- ние параметра микроклимата –концентрации газовой вредности в той мере, как например перемещение потоков воздуха в помещении

Вопросы для самопроверки.

                       1.Что такое микроклимат помещения?

2.Какие факторы микроклимата являются наиболее существенными? 3.Что такое комфортная окружающая среда?

4.Какими параметрами оцениваются тепловые условия и состав воздуха в помещении? 5.Что такое оптимальные внутренние условия?

6.Назовите пассивные и активные факторы формирования микроклимата помещения. 7.Чем        отличаются        технологические        требования        к        микроклимату        от        комфортно-

технологических?

8.Каковы особенности формирования микроклимата в зданиях в современных условиях? 9.Перечислите процессы формирования микроклимата помещения.

10. Что такое возмущающие и регулирующие воздействия на микроклимат помещения

3. Микроклимат помещения

Протекающие в организме человека процессы поглощения, превращения, хранения и выделения продуктов жизнедеятельности принято называть метабо- лическими процессами.

В состоянии покоя взрослый человек потребляет 15 л/ч кислорода, при вы- полнении физической работы эта цифра возрастает почти до 180 л/ч. Выделяю- щееся при сгорании 15 л/ч кислорода (в состоянии покоя) количество теплоты со- ставляет 88 Вт и может достигать 1060 Вт.

Рассчитанная по количеству потребляемого кислорода метаболическая те- пловая энергия М, Вт/м2, выражается формулой

M = 5,8 ⋅ V V02

Fд

,        (3.1)

где 5,8 – энергетический эквивалент 1 л кислорода при нулевой температуре и нормальном барометрическом давлении и V = 1 Вт ч/л;

V – соотношение количества выдыхаемого угл. газа и вдыхаемого кислорода;

VО2

– потребление кислорода в нормальных физических условиях, л/ч;

Ид – площадь поверхности организма человека, м2:

Fд = 0,203 G0,425 L0,725,        (3.2)

здесь G – масса человека, кг; L – рост человека, м.

Эти формулы основаны на результатах многочисленных испытаний, прове- денных гигиенистами в разных странах и в различных условиях. Данные авторов по энергетическому балансу человека часто расходятся. В то же время на практи- ке используют классификацию, в которой различают три степени тяжести работы: а) легкая (обычно сидячая) , в ходе которой потребление кислорода не более

чем в 2 раза превышает его потребление в состоянии покоя, т.е. меньше 30 л/ч; энергозатраты при этом составляют менее 175 Вт;

б) средней тяжести, в ходе которой потребление кислорода в 2-4 раза больше, чем в состоянии покоя; такая деятельность соответствует энергозатра- там, достигающим 300 Вт, к ней относят рукоделие и механизированный труд;

в) тяжелая, в ходе которой потребление кислорода в 4-8 раз больше, чем в состоянии покоя; такая деятельность соответствует энергозатратам, превышаю- щим 300 Вт (до 700 Вт), к ней относят большинство профессий, требующих больших физических усилий.

Комфортные условия микроклимата

Русский исследователь И.И.Флавицкий в 1884 г. выявил комплексное воз- действие метеорологических факторов на человека. Это обстоятельство означает, что ощущение теплового комфорта появляется, если параметры микроклимата находятся в определенном сочетании.

В качестве обобщающего температур- ного показателя используют температуру помещения, равную средней между темпера- турой воздуха tВ и радиационной температу- рой tR

Рис.3.6. Комфортное сочетание температуры воздуха и радиаци- онной температуры помещения

t        = t B − t R

R        2

.        (3.3)

Данные о комфортных сочетаниях температуры воздуха и радиационной температуры приводит ряд авторов. Так, для легкой работы, выполняемой челове- ком, В.Н. Богословский дает следующие показатели комфорта:

для холодного периода

для теплого периода

tR = 1,57 tП – 0,57tВ,

tR = 1,5 tП – 0,5tВ.        (3.4)

Показатели комфорта по В.Ф.Раберу и Ф.М. Гатчинсону таковы:

tВ + tR = 42,2.        (3.5)

Комфортное сочетание tВ и tR по данным Т.Бедфорда и В.Лизе показано на рис.3.6.

Технологические требования к параметрам микроклимата

Современные технологии в таких отраслях, как точное машиностроение, радиотехническая, химическая, пищевая, текстильная, полиграфическая промыш- ленность, производство синтетических волокон и др., не эффективны без поддер- жания круглый год определенных сочетаний температуры и влажности воздуха, его подвижности, а также чистоты. Производство интегральных микросхем, функционирование предприятий микробиологической промышленности возмож- ны только в замкнутом объеме, где к чистоте воздуха предъявляют специальные требования.

Технологические требования к значениям температуры и влажности возду ха и их изменению обусловлены физико-химическими свойствами обрабатывае- мых, производимых или хранимых материалов и изделий. Так, влажность воздуха влияет на свойства гигроскопичных материалов, а следовательно, и на качество изделий из них. В табл. 3.1 приведены данные о равновесной влажности в про- центах к весу сухого материала при температуре 24 oС .

Равновесная влажность некоторых материалов

Как видно, масса материалов, широко используемых в полиграфической, текстильной и кожевенной промышленности, значительно меняется по мере из- менения влажности, причем влияние температуры сказывается меньше, чем влия- ние влажности. Например, в текстильной промышленности 5%-ное колебание от- носительной влажности воздуха дает изменение свойств пряжи более существен- ное, чем при изменении температуры на 100С.

Что касается других производств и отраслей, то:

1. в окрасочном производстве при сушке лака нужна повышенная влаж- ность воздуха - примерно 65 %, что связано с тормозящим воздействием высокой влажности на поверхностное окисление и свободным выходом газов без образо- вания пузырей;
2. в прецизионном машиностроении - наоборот, изменение температуры воздуха ведет к недопустимо большому увеличению или уменьшению размеров деталей из-за линейного расширения материалов; так, при нанесения рисок на из-

мерительные лимбы металлообрабатывающих станков допустимые колебания температуры воздуха составляют ± 0,01 0С;

3. в помещениях для хранения и обработки углеродистой стали необходима пониженная влажность воздуха (30 - 45 %), так как по мере увеличения влажности

- особенно быстро после достижения 65 % - возрастает скорость коррозии ме- талла; для защиты полированных поверхностей от микрокоррозии также следует поддерживать низкую температуру и низкую влажность воздуха;

4. опасно в ряде производств и неприятно в быту и общественных зданиях накапливаемое статическое электричество; вред от него можно свести к миниму- му, если относительная влажность воздуха будет более 55 %;
5. в прядильных и ткацких цехах особенно велико влияние статического электричества на эластичность и обрывность волокна, поэтому также требуется повышенная влажность воздуха;
6. при производстве химических волокон, например, в камере предсозрева- ния щелочной целлюлозы необходимо поддерживать температуру воздуха 30-35 0С при относительной влажности не ниже 90 %;
7. в полиграфическом производстве повышенная влажность воздуха обес- печивает требуемое качество бумаги и предупреждает накопление статического электричества, а колебания влажности более ± 5 % влияют на размеры бумажно- го волокна, что ухудшает качество многоцветной печати;
8. в некоторых отраслях пищевой промышленности, в частности мясопере- рабатывающих и подсобных цехах, производстве шоколада и изделий из него и др. важно поддержание заданных параметров воздушной среды; так, определен- ное сочетание температуры и влажности воздуха обеспечивает эффективный про- цесс откорма скота и птицы.

Рис. 3.11. Области сочетания температуры и влажности воздуха, оптимальные по тех- нологическим требованиям для производства бумажной и полиграфической промыш- ленности 1, точного машиностроения 2, текстильной 3, электротехнической 4 и хими-

ческой 5 промышленности

На рис. 3.11 показаны области сочетания температуры и относительной влажности воздуха для отдельных технологических процессов.

Вопросы для самопроверки.

1.Что такое метаболические процессы, протекающие в организме человека? 2.Как принято подразделять виды работы по степени тяжести?

3. В чем состоит принцип терморегуляции организма человека?
4. Сформулируйте особенности восприятия организмом человека лучистых потоков те-

пла. ха?

5. В чем состоит физиологическое воздействие на организм человека влажности возду- 6.Какова роль подвижности воздуха в создании теплового комфорта в помещении?

7. Какие факторы определяют состояние воздушного комфорта в помещении? 8.Укажите основные причины нарушения воздушного комфорта.

9. Назовите наиболее распространенные вредные вещества, загрязняющие воздух про- мышленных помещений и характер их токсикологического действия.
10. Каким образом подразделяются запахи в помещении?
11. На чем базируется гигиеническое обоснование воздухообмена в помещении? 12.Какова санитарная норма наружного воздуха?

13.Какие ионы оказывают благотворное воздействие на организм человека? 14.Что такое радиационная температура и температура помещения?

15. Каким образом можно установить комфортное сочетание температуры помеще- ния, воздуха и радиационной температуры?
16. В чем состоят основные положения метода О.Фангера оценки теплоощущения че- ловеком?
17. Каковы технологические требования к микроклимату помещения, в котором нахо- дятся гигроскопические материалы?
18. Назовите примеры технологических процессов, на которые оказывает влияние мик- роклимат помещения.

4. Вентиляционный процесс обеспечения микроклимата

Струйные течения в помещении

Характер распределения примесей вредных веществ в вентилируемом помеще- нии определяется главным образом возникающими воздушными течениями, кото-

рые, в свою очередь, зависят от принятого способа организации воздухообмена.

Решающая роль в формировании полей температуры, скорости и концентрации примесей принадлежит приточным струям и создаваемым ими циркуляционным течениям. При помощи приточных струй можно обеспечивать в определенных зонах помещения заданные параметры воздушной среды, существенно отличающиеся от таковых в окружающем пространстве (воздушные души, воздушные оази- сы);создавать воздушные завесы, препятствующие врыванию в помещение холодно- го воздуха; применять устройства, способствующие сдуву вредных веществ к месту их организованного удаления (местные отсосы с передувками).

Конвективные (тепловые) струи, формирующиеся вблизи стен и поверхностей оборудования, имеющих температуру, которая отличается от температуры окру- жающего воздуха, также могут оказывать определенное влияние на распреде- ление вредных веществ в помещении.

Тепловые струи, возникающие над нагретым оборудованием, способствуют выносу теплоты и вредных примесей в верхнюю зону помещений. Мощные кон- вективные потоки переносят в верхнюю зону помещений газы и пары даже в том слу- чае, если они тяжелее воздуха.

Приточные струи

Струей называется поток жидкости или газа с конечными поперечными размера- ми, определяемыми границей струи. В технике вентиляции имеют дело с воздушными струями, которые распространяются в воздухе помещения. Такие струи называются затопленными. Вентиляционные струи являются турбулентными.

В зависимости от температуры истечения струи разделяются на изотермические и неизотермические. У изотермических струй температура во всем ее объеме равна температуре окружающего воздуха, у неизотермических струй температура изменяет- ся по мере ее развития, приближаясь к температуре окружающего воздуха.

В зависимости от конструкции воздухораспределительного устройства струи могут развиваться по разным траекториям. На рис.4.1 изображено развитие изотерми- ческой осесимметричной струи, все поперечные размеры которой симметричны от- носительно ее оси, которая является прямолинейной.

На границе струи, где продольная составляющая скорости равна нулю, имеет место

интенсивное подмешивание масс воздуха в струю и уменьшение скорости воздуха. В

пределах координаты xн

скорость воздуха по оси струи и в ее поперечном сечении

равна скорости истечения. Этот участок называется начальным. В последующем осе- вая скорость уменьшается, как и скорость в поперечном сечении.

Осессиметричные струи вытекают из круглого отверстия и являются компактны- ми. К компактным относятся также струи, вытекающие из квадратных и прямо- угольных насадков.

IIлоские струи (рис. 4.2,а) образуются при истечении воздуха из щелевых отвер- стий с соотношением сторон больше 20. Струя рассматривается как плоская на рас-

стоянии

x ≤ 6(2 Ao ) , где

(2 Ao )

размер большей  стороны  отверстия; в последующем

струя рассматривается как компактная.

Веерные струи (рис. 4.2,б) образуются при принудительном рассеивании   воздуха в плоскости на некоторый угол. Различают полные веерные струи с углом принуди- тельного рассеивания 360 град. и неполные веерные с углом менее 360 град/

Рис.4.1.Свободная изотермическая осесимметричная струя

Конические струи (рис.4.2.в) образуются при установке на выходе воздуха из от- верстия рассеивающего конуса с углом при вершине 60 ± 2,5°.

а)        б)

в)         г) 

Рис.4.2. Вентиляционные приточные струи: а) плоская; б) веерная; в)коническая; г) закручен- ная

Закрученные струи (рис.4.2.г) образуются закручивающими устройствами или при тангенциальном подводе в воздухораспределитель воздуха. Как и другие уст- ройства, принудительно расширяющие границы струи, закручивание струи предна-

значено для ускорения затухания струи и снижения скорости воздуха в струе.

В технике вентиляции обычно имеют дело с неизотермическими струями. В таких струях из-за разности плотности воздуха в струе и окружающего воздуха возникают гравитационные (архимедовы) силы, соизмеримые с силами инерции.        Вследствие действия этих сил искривляется ось струи, отклоняясь от прямолинейной.

При горизонтальном или под углом к горизонту выпуске струи охлажденная струя опускается, а нагретая - всплывает.

Неизотермические струи из-за их криволинейной траектории часто называют воз- душными фонтанами (рис.4.3).

Рассмотрим кратко основные закономерности распространения приточных венти- ляционных струй, ориентируясь в основном на исследования И.А. Шепелева   для двух видов струй: компактных и плоских.

Независимо от геометрической формы, выходные отверстия вскоре после ис- течения компактная струя приобретает симметрию относительно оси.

Рис.4.3.Схема воздушного фонтана.

Наличие нагретых источников в помещениях приводит к возникновению около них естественных конвективных потоков Соприкасающийся с поверхностью воздух нагревается, возникает подъемная сила, под действием которой нагретый воздух поднимается вверх. На смену ему поступает окружающий воздух. В поднимающемся

потоке нагретого воздуха под действием сил внутреннего трсния и в результате под- мешивания окружающего воздуха формируется распределение скорости и избыточ- ной температуры, аналогичное приточным струям. Поэтому такое течение называ- ют конвективной струей.

Рис.4.4.Схема формирования конвективных струй

На рис.4.4. представлены схемы формирования конвективных струй около раз- лично расположенных поверхностей: а) у вертикальной нагретой поверхности; б) у вертикальной охлажденной поверхности; в) над компактной или осесимметричной нагретой поверхностью, заподлицо с плоскостью; г) над плоской нагретой поверхно- стью, заделанной заподлицо с плоскостъю; д) над объемной нагретой поверхностью источника е) над нагретой поверхностью, расположенной в углублении; ж) над объ- емной нагретой поверхностью источника (например, отопительный прибор, распо- ложенный вблизи вертикальной стены.

Конвективные потоки около горизонтальных нагретых поверхностей по аналогии с приточными струями можно рассматривать как состоящие из двух участков: раз- гонного (или формирования) с возрастающей скоростью на оси и основного — с убыванием скорости на оси (см.рис.4.5). Разгонный участок состоит из ламинарного подслоя, расположенного непосредственно у нагретой поверхности и пограничного слоя конвективной струи состоящего из отдельных взаимодействующих между со- бой нагретых струек, сформированных в сплошной поток

составляющей около 0,7D, располагается переходное сечение. Далее расположен ос- новной участок с симметричным относительно осевой линии профилем скоростей и избыточной температуры, характерным для турбулентных струй.

Длина участка формирования составляет для осесим- метричных струй (1-2)D, для плоских –(2-2.5)В. Здесь D- диаметр круглого источника или эквивалентный диаметр прямоугольного источника с соотношением        сторон

А/В ≤ 3; В-ширина вытянутого в плане источника.

Рис.4.5.Формирование конвективной струи

Рассмотренные выше закономерности вентиляционных струй относятся к свобод- ным струям. В реальных        помещениях,

как правило, струи бывают стесненными ограждениями и оборудованием.

Движение воздуха около вытяжных отверстий

Скорость движения воздуха вблизи всасывающего отверстия падает значительно интенсивнее, чем у приточного. Это связано с тем, что при всасывании воздух подте- кает к отверстию со всех сторон.

Наличие у всасывающих отверстий направляющих и ограничивающих плоскостей позволяет получить большие скорости при одинаковых условиях с обычным отвер- стием.

Вопросы для самопроверки.

11. Что называется струей?
12. Приведите классификацию вентиляционных струй в помещнии.
13. Назовите основные характеристики свободной осесимметричной изотермической струи. 14.При каких условиях истечения струя становится плоской, конической?

15. Что называют воздушным фонтаном?
16. Из каких предпосылок исходят при рассмотрении закономерностей турбулентных струй? 17.По какому закону изменяется скорость воздуха в поперечном сечении струи?

18. По какому закону изменяются осевые значения скорости и температуры воздуха?
19. Для чего используют аэродинамическую (кинематическую) М и тепловую N характеристики струи?
20. В каких условиях формируются конвективные струи?
21. Каковы закономерности движения воздуха около вытяжных отверстий? 22.Для чего нужен воздухообмен в помещении?

23. Что понимается под вентиляционным процессом?
24. Какими способами определяют параметры уходящего воздуха в помещении?

25. Что такое тепловая напряженность помещения?
26. Какой способ организации воздухообмена является наиболее эффективным? 27.Какие величины составляют балансовые уравнения вредностей в помещении? 28.Как определяется расчетный воздухообмен из условия ассимиляции вредностей? 29.Что понимается под однонаправленными вредностями?

30. Что показывает кратность воздухообмена в помещении?
31. Какие ограничения накладываются на температуру и скорость приточного воздуха и почему? 32.В чем принцип действия аварийной вентиляции?

33. По какому закону происходит изменение концентрации вредности в воздухе помещения при работе и бездействии вентиляции?
34. В чем принцип действия периодической или прерывистой вентиляции? 35.Как определить время проветривания помещения?

Перечень литературы:

1. Кувшинов Ю.Я. Теоретические основы обеспечения микроклимата помещения. Учебное посо-бие для студентов специальности 270109. M.: Изд. АСВ, 2007, 184 с.
2. Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, учебник для вузов. М.: Изд. АСВ, 2002, 576 с.
3. 4Отопление и вентиляция, учебник для вузов в 2-х частях, ч.2, Вентиляция. / под ред. В.Н.Богословского. – М.: Стройиздат, 1976, 440 с