Сравнительный анализ двух методик оценки климатического комфорта на примере систем климатизации морского круизного лайнера

M. Giacco

Веление времени

Существенный рост в судостроительной отрасли, который наблюдается в последнее время, в частности в сегменте паромных и круизных судов, ведет к тому, что с каждым годом инженеры-конструкторы, проектировщики и судовладельцы все больше внимания уделяют вопросам оснащения судов по последнему слову техники. Основополагающее значение приобретает вопрос тепловлажностного комфорта, который до последнего времени всерьез рассматривался главным образом среди участников строительной отрасли. Тепловлажностный комфорт есть состояние теплового удовлетворения определенным микроклиматом. Отличным считается микроклимат, когда количество теплоты, произведенной организмом человека за счет метаболизма, равно количеству теплоты, отданного человеком в окружающую среду через кожу. При прочих равных микроклиматических условиях из этого следует, что в зависимости от метаболизма конкретного человека и от того, во что он одет, комфортное состояние у разных людей будет разным.

Оценить климатические условия определенного помещения можно при помощи параметров PMV и PPD*, представляющих соответственно средний оценочный балл качества внутренней среды и процент пользователей, неудовлетворенных качеством внутреннего воздуха.

Эти параметры определяются по субъективным оценкам группы людей, помещаемых в определенную среду. Индекс PMV имеет 7-балльную шкалу в диапазоне от –3 до +3, где –3 соответствует ощущению холода, 0 выражает нейтральное состояние, и + 3 – состояние жары. Индексу PMV нулевой (0) величины соответствует значение PPD 5 %. Это означает, что полное удовлетворение абсолютно всех пользователей обеспечить не удастся никогда.

Уровень комфорта считается приемлемым, когда таковым его сочтут не менее 80 % лиц, присутствующих в помещении, что по критерию П. Фангера** соответствует значению индекса PMV в диапазоне от +0,5 до –0,5.

Естественно, при достижении оптимальных климатических условий скорость движения воздуха выступает в качестве отрицательного фактора. Но хуже всего воздушные течения, обусловленные колебаниями скорости. Они создают местное охлаждение и существенно снижают комфорт. По этой причине оценивать следует, прежде всего, воздушные течения. Замерить их не так просто. В любом случае они будут считаться приемлемыми только в том случае, если индекс PPD ниже 15 %. Чтобы оценка климатических условий в помещении, к какому бы типу оно не принадлежало, была корректной, фундаментальное значение имеет оценка энергии, отдаваемой телом в окружающую среду. Для определения этого параметра недостаточно знать только температуру воздуха в помещении. Требуются, в частности, следующие данные:

• средняя радиационная температура, °C;

• скорость воздуха, м/с;

• относительная влажность, %.

Учитывая, как сложно вычислить среднюю радиационную температуру, определяемую как однородная температура воображаемого черного тела, отдающего в среду столько же теплоты, сколько некий условный пользователь, достаточно точно оценить климатические условия в помещении можно, воспользовавшись иными параметрами, а именно:

• результирующая температура, функция температуры воздуха в помещении и средней радиационной температуры;

• эквивалентная температура, функция температуры воздуха в помещении, средней радиационной температуры и скорости воздуха;

• эффективная температура, функция температуры воздуха в помещении, средней радиационной температуры и влажности.

Очень важно помнить, что при оценке климатического комфорта следует различать три категории помещений:

• умеренные;

• холодные;

• теплые.

Соответственно, методика оценки каждой такой категории будет иметь специфику.

Мы рассмотрим умеренную категорию как наиболее подходящую для данного типа анализа.

Отличительными чертами помещений умеренного типа считаются:

• достаточно однородные тепловлажностные условия;

• низкий уровень теплообмена между стенами помещения и человеком;

• умеренная и большей частью однотипная физическая активность всех пользователей;

• однотипность одежды пользователей.

Отсюда следует, что некоторые помещения на судне, такие как панорамная гостиная, ресторанные залы с витринным остеклением, каюты, расположенные на корме и имеющие большие панорамные окна, и т. п. нельзя отнести к умеренному типу. Основным параметром, определяющим степень комфорта помещения, как подчеркивалось выше, является градиент температуры по высоте помещения. На основании результатов исследования, проведенного с группой добровольцев, был составлен график, где по оси абсцисс отложены значения перепада температуры, а по оси ординат – процентная доля пользователей, неудовлетворенных качеством внутреннего воздуха.

При одинаковых колебаниях температуры наибольший дискомфорт отмечен пользователями для теплого потолка, и наименьший – для теплых стен. Следовательно, при проектировании помещений, расположенных на последней палубе, внимание следует уделять изолированию потолка, а не межкаютных перегородок.

Рисунок. (подробнее) Пример расчета среднего оценочного балла качества воздушной среды и допустимого процента людей, не удовлетворенных качеством воздуха

* PMV (Predicated Mean Vote) – средний оценочный балл качества воздушной среды. PPD (Predicated Percentage of Dissatisfied) – допустимый процент неудовлетворенных качеством воздуха.

** П. Фангер (P. Ole Fanger) – профессор, директор Международного центра качества среды обитания и энергосбережения при Датском техническом университете, почетный член НП «АВОК».

Стандарт ISO и комфорт-класс

В этом ключе рассмотрим два различных подхода к проектированию систем кондиционирования воздуха для круизного судна: первый – согласно регламенту ISO 7547, используемому практически повсеместно, второй – на основании теории комфорт-класса или теории теплового комфорта, в основе которой требования регламентов, перечисленных в данной статье. В регламенте ISO 7547, который мы определяем как стандартный, основными параметрами, требующимися для расчета сети кондиционирования воздуха, являются:

• кратности воздухообмена в помещениях;

• минимальный расход наружного воздуха;

• максимальная заполняемость помещений в зависимости от их назначения;

• относительная влажность внутренних и внешних помещений в летний и зимний периоды;

• температура воздуха (по сухому термометру) внутренних и внешних помещений в летний и зимний периоды;

• перепад температур в смежных помещениях (в особых случаях);

• общий коэффициент теплопередачи палуб, стен и окон (переборок и иллюминаторов);

• доля солнечной радиации, лучистых тепловыделений людей, света и иных источников излучения.

В регламенте комфорт-класса, помимо требующихся по ISO 7547 параметров, перечисленных выше, учитываются также:

• результирующая температура;

• относительная влажность;

• скорость воздуха;

• местное охлаждение;

• градиент температуры по высоте;

• концентрация СО₂;

• индексы PMV и PPD;

• чистота воздуха;

• наличие в воздухе пахучих веществ.

Комфорт-класс

Согласно рекомендациям органа по стандартизации DNV (Der Norske Veritas), основными параметрами, определяющими комфорт на борту пассажирского судна, являются:

• шум;

• вибрация;

• комфорт среды.

Первые два фактора, которых в данной статье мы не касаемся,входят в понятие COMF-V (crn), где величина в скобках показывает уровень комфорта в зависимости от шума и вибрации.

Комфорт среды, определяемый температурой воздуха, градиентом температуры по высоте помещения, скоростью воздуха, влажностью и концентрацией СО₂, обозначается сокращением COMF-C (crn), где аббревиатура crn имеет то же значение, что и в предыдущем случае, но в отношении теплового комфорта. Значение уровня комфорта (crn) варьируется в диапазоне от 1 до 3, где самый высокий уровень комфорта – 1 и приемлемый уровень комфорта – 3. На круизных судах имеется возможность дифференцировать служебную зону (экипажа судна) от гостевой (пассажирской) с различными значениями уровня комфорта.

По существующим регламентам все помещения на судне делятся на следующие четыре категории:

• категория А, пассажирские каюты;

• категория В, помещения общего пользования, исключая туалеты и коридоры;

• категория С, помещения судовой больницы;

•категория D, центральная диспетчерская, пост аварийного управления, служебные помещения, столовая.

Для определения уровня комфорта в помещениях различных категорий разработаны нормативные значения результирующей температуры в летний и зимний периоды, градиента результирующей температуры по высоте, максимальной скорости воздуха, относительной влажности в зимний и летний периоды и, наконец, кратности воздухообмена в помещении и концентрации в воздухе СО₂. В табл. 1 приводятся значения результирующей температуры, градиента температуры по высоте и максимальной скорости воздуха трех уровней комфорта для помещений категории А.

Таблица 1 Взаимосвязь между степенью комфорта (crn) и значениями радиационной температуры, градиента температуры по высоте и максимальной скорости для помещений категории А

Катего- рия Тип помещения Степень комфорта Максимальная скорость Темпера- турный градиент Макси- мальная скорость       Лето Зима     А Каюты 1 22 (+/-1) 23 (+/-1,5) 2,5 0,25     2 24 (+/-1,5) 22 (+1,5/-1) 3,5 0,35     3 26 (+/-2) 22 (+2,5/-1) 4 0,4

Первый, высший, уровень комфорта предусматривает обязательное наличие индивидуальных автоматических систем управления и регулирования температуры в помещениях, обозначенных литерами А, В и C, на капитанской палубе и на посту аварийного управления. Для 2-го и 3-го уровней обязательными являются индивидуальные системы ручной регулировки температуры в помещениях типа А, В, С и D.

КОМФОРТ-КЛАСС: НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

• ISO 7547, Судостроение – Вентиляция и кондиционирование воздуха в пассажирских каютах – Требования к проектированию и базовым расчетам.

• ISO 7730, Помещения с умеренно жарким микроклиматом – Определение индексов PMV и PPD.

• ISO 7726, Помещения с жарким микроклиматом – Инструменты и методы измерений физических величин.

• ISO 8862, Судостроение – Вентиляция и кондиционирование воздуха в помещениях судовых диспетчерских пунктов – Требования к проектированию и базовым расчетам.

• ISO 8864, Судостроение – Вентиляция и кондиционирование воздуха в помещении рулевой рубки – Требования к проектированию и базовым расчетам.

• WHO, Загрязнители воздуха в помещении, особенности воздействия и влияние на здоровье человека. Отчеты EURO и материалы исследования 78, 83.

• WHO, Требования к качеству воздуха в Европе, серия 23, 1987.

• ASHRAE, Руководство по прикладным процедурам, Американская ассоциация инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, г. Атланта, 91.

• ASHRAE, Стандарт комфорта 55–66.

• ASHRAE, Вентиляция, обеспечивающая приемлемый микроклимат 62–1989.

• SCANVAC, Типология систем обеспечения микроклимата – Рекомендации и спецификации, Шведский институт микроклимата.

• NKB, 61Е – июнь 1991, Определения и терминология в области вентиляционного воздуха.

Пример расчета среднего оценочного балла качества воздушной среды и допустимого процента людей, не удовлетворенных качеством воздуха

Стандартная процедура

Основная формула, используемая для расчета тепловой и холодильной мощности в летний и зимний периоды, следующая:

θ = ∆Т [(k_v • A_v) + (k_g • A_g)],

где θ – тепловой поток, измеряемый Вт;

∆Т – температурный перепад между температурами рассматриваемого помещения и во внешней среде, К;

k_v – коэффициент теплопередачи, Вт/(м².К), стены;

A_v – площадь стены v, м² (без иллюминаторов и окон);

k_g – коэффициент теплопередачи, Вт/(м².К), окна;

A_g – площадь иллюминаторов и окон, м²;

Индексы v и g относят величины соответственно к стенам и окнам.

Тепловой поток, создаваемый солнечным излучением, выражается формулой:

θ_s = Σ(A_v• k_v• ∆Т_r) + Σ(A_g• G_s),

где A_v и A_g – соответственно непрозрачные и лучепрозрачные поверхности;

k относится к матовым поверхностям;

∆Т_r имеет следующие значения:

• 16 К для вертикальных светлых поверхностей;

• 29 К для вертикальных темных поверхностей;

• 12 К для горизонтальных светлых поверхностей;

• 32 К для горизонтальных темных поверхностей;

G_s – поступление тепла через окна в зависимости от их типологии из расчета 350 Вт на квадратный метр для обычного стекла и 240 Вт на квадратный метр для стекла, зашторенного изнутри.

Данная методика расчета позволяет определить для каждого отдельного помещения значение расхода воздуха, необходимого для поддержания расчетных тепловлажностных условий, которые в данном случае вовсе не привязаны к тому, где конкретно будет располагаться пользователь в помещении, и тем более не оценивают градиент температуры по высоте помещения или воздушные течения в нем. Полученное таким способом значение считается исключительно проектнорасчетным (табл. 2 и 3).

Таблица 2 Обязательные параметры стандартной процедуры: температура и относительная влажность

Температура, °C Влажность, % Наружный воздух, лето 35 70 Воздух в помещении, лето 27 50 Наружный воздух, зима -20 – Воздух в помещении, зима 22 –

Таблица 3 Обязательные параметры стандартной процедуры: заполняемость по участкам

Зона Заполняемость Каюты по числу коек Салоны 1 чел. / 2 м2 Залы ресторанов 1 чел./ 1,5 м2 Клубные помещения 1 чел. / 5 м2 Рабочий кабинет капитана 4 чел. Рабочий кабинет старшего помощника 3 чел. Больница 2 чел. + число коек Спортивный зал 4 чел. Пункт первой медицинской помощи 2 чел. Административные помещения 2 чел.

Процедура комфорт-класса

Расчет по методике теплового комфорта выполняется совершенно иначе. Полученное при этом значение для конкретного помещения может быть достаточным для обеспечения комфорта определенного числа пользователей, но не для всех. Прежде всего, требуется решить по каждому помещению, где именно располагается наш пользователь, рассматриваемый в качестве контрольного для оценки комфорта данного участка. На сцене появляется фактор вида.

В проведенном исследовании методики комфорт-класса нами были приняты следующие упрощения:

• С целью определения фактического значения факторов вида мы рассматривали ситуацию, когда пользователь располагается в центре каюты – хотя бы потому, что в противном случае расчет настолько усложняется, что надеяться получить более или менее достоверный результат не приходится. Если бы наш пользователь располагался у окна, то результат в этом случае был бы слишком далек от значений расчета для пользователя у противоположной стены. Мы решили рассматривать некую среднюю ситуацию. Ясно же, что удерживать пользователя у окна насильно никто не будет, и если он испытывает там дискомфорт, никто не помешает ему пересесть. Фиксированными будут только посадочные места в панорамной гостиной (хотя и здесь они отстоят от оконного остекления на 1–1,5 м), а также в панорамном ресторане.

• Вместе с тем, в нашем исследовании мы не рассматриваем помещения с витринным остеклением по той простой причине, что микроклимат в среде такого типа никак нельзя считать умеренным. Следовательно, для данной категории помещений требуется иная процедура расчета.

• Для вычислений по методике теплового комфорта нами использовалась программа расчета температуры по сухому термометру в зависимости от размеров помещения, местоположения контрольного пользователя, результирующей температуры, типа одежды и вида выполняемой работы, что позволяет обеспечить приемлемые значения индексов PMV и PPD (рис.). Определив температуру по сухому термометру, для расчета требующегося расхода воздуха мы вновь воспользовались стандартной программой вычислений.

Заключение

Посмотрев табл. 4, вы можете теперь сравнить данные вычислений по двум различным методикам. Что касается метода теплового комфорта, данные, приведенные в таблицах, рассчитывались при неизменных условных параметрах, принятых для стандартного расчета, включая значение температуры приточного воздуха в помещение. Три уровня комфорта по методике комфорт-класса соответствуют классам принадлежности.Понятно, что расход воздуха при переходе от 3-го класса к 1-ому удваивается, при том что температура воздуха на выходе из кондиционеров остается одинаковой. Чтобы иметь возможность сократить расход транзитного воздуха в каналах при сохранении минимально допустимых расходов воздуха нужно, чтобы температура на выходе из оборудования воздухоподготовки была более низкой, что повлекло бы за собой изменение типологии сети. Потребовались бы более мощные холодильные машины, улучшенная теплоизоляция, усиленные меры предотвращения образования конденсата и воздухораспределители особой конфигурации. Очевидно, что на судне, претендующем на категорию 1, традиционное оборудование вряд ли можно использовать, разве только с солидным запасом – и по кондиционерам, и по воздуховодным каналам и холодильным агрегатам. А вот расчетные параметры по классу 3 вполне сопоставимы со стандартом паромных и не очень престижных круизных судов. Параметры по классу 2 подходят для круизных судов среднего уровня. Если пользоваться методикой теплового комфорта, результат будет лучше для помещений, где нелучепрозрачных поверхностей меньше, чем прозрачных. Чтобы влияние солнечного излучения на уровень комфорта было не очень сильным, особенно для судов, где такое излучение непостоянно, можно рекомендовать использование в оконном остеклении стекол с высокой отражающей способностью либо с соответствующим затенением. Но, откровенно говоря, оба решения мало выполнимы: первое – в силу высокой себестоимости, второе – из-за того, что при затенении падает функциональность окна, и вообще теряется смысл панорамного вида. Проектирование сетей вентиляции и кондиционирования воздуха для судостроительной отрасли, по сравнению с наземными объектами, имеет целый ряд особенностей. В частности, в отношении солнечного излучения следует учитывать то обстоятельство, что абсолютно все стороны судна могут испытывать его воздействие в равной степени в силу того, что судно по определению перемещается и вращается. Отсюда необходимость закладывать в расчеты для всех помещений максимальную нагрузку.

Таблица 4 Сравнение результатов, полученных двумя различными способами расчета. Три уровня комфорта по методике комфорт-класса соответствуют классам принадлежности

Наружная каюта Расход воздуха, м3/ч Температура по сухому термометру, °C Результирующая температура,°C Стандартный метод 211 27 – Метод комфорт 1 510 20,92 22 Метод комфорт 2 360 23 24 Метод комфорт 3 240 25,82 26 Внутренняя каюта Расход воздуха, м3/ч Температура по сухому термометру, °C Результирующая температура, °C Стандартный метод 240 27 – Метод комфорт 1 590 21,14 22 Метод комфорт 2 410 23,14 24 Метод комфорт 3 280 25,73 26

При использовании параметра средней радиационной температуры для обеспечения точности расчетов требуется тщательно продумать расположение пользователей в помещении и, соответственно, расстановку мебели. Хотя с другой стороны понятно, что на этапе подготовки принципиального проекта сети вентиляции и кондиционирования воздуха это вряд ли возможно.

Чтобы обеспечить судну категорию комфорт-класса, необходимыми представляются не только тщательно проработанный проект теплотехники, но и работа архитектора, причем не исключено, что архитектору придется пожертвовать витринным остеклением и всем, что может ухудшить уровень комфорта.

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI.

Переведено с итальянского С. Н. Булековым.

Научное редактирование выполнено канд. техн. наук Е. Г. Малявиной, тел. (095) 188-36-07.