Тепловой микроклимат помещения. Оценка и проектирование

Описание:

Основной задачей при проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) является обеспечение комфортных условий пребывания людей при условии экономичного расходования энергоресурсов. При этом необходимо принимать во внимание некоторые существенные факторы.

Ключевые слова: микроклимат в помещении, теплоснабжение, проектирование

Тепловой микроклимат помещения.
Оценка и проектирование.

Арсен К. Меликов, Центр исследований микроклимата энергетического факультета Технического университета, Дания

Проектирование систем микроклимата, обеспечивающих тепловой комфорт

Расчет поддержания заданных условий во всей зоне обслуживания

Первым этапом в разработке проекта (который на практике часто оказывается последним) является обеспечение условий теплового комфорта во всей обслуживаемой зоне без учета индивидуальных потребностей каждого человека. Для этой цели необходимо принимать во внимание требования, приведенные в нормативных документах по микроклимату помещений (ISO 7730 1994, ASHRAE Standard 55 1992). Эти требования основаны на усредненных данных для больших групп людей, имеющих одежду с одинаковыми теплозащитными свойствами и выполняющих работу одинаковой степени тяжести. Однако на практике физическое и психологическое восприятие микроклимата у различных людей, как правило, отличается в зависимости от одежды, выполняемой работы, индивидуальных предпочтений по температуре и подвижности воздуха, скорости адаптации к изменению параметров воздушной среды. Так, теплоизоляционные свойства одежды людей могут меняться в пределах от 0,4 до 1,2 clo и более, интенсивность энергообмена (метаболизм) изменяется от 1 до 2 met в зависимости от интенсивности физической и умственной деятельности людей (ASHRAE Handbook of Fundamentals 1993). Различия в предпочтениях по температуре воздуха могут достигать 10 0C (Grivel и Candas 1991). Предпочтительное значение подвижности воздуха также может отличаться в четыре раза (Меликов, 1993). Различие в индивидуальных требованиях к микроклимату до некоторой степени учтено в действующих нормативах: в стандарте ASHRAE 55 (1992) рекомендуется использовать допустимый температурный диапазон для зимы и лета, в стандарте ISO 7730 (1994) предлагается значение PMV в диапазоне +/- 0,5. Натурные обследования с большим количеством испытуемых подтвердили допустимость применения указанного диапазона. Таким образом, первым условием при проектировании является возможность обеспечения системами ОВК параметров микроклимата в помещении во всем диапазоне, предписанном нормативными документами.

Чаще всего при проектировании систем ОВК неизвестно, какого рода деятельностью будут заняты люди в помещении как это будет изменяться с течением времени. Как правило, в офисных помещениях находится небольшое количество сотрудников, и их индивидуальные требования к микроклимату могут не соответствовать усредненным значениям, предусмотренным нормативами. Этим объясняются частые жалобы на тепловой дискомфорт, даже если микроклимат в помещениях отвечает требованиям стандартов (Shiller, 1988). Часто одни и те же помещения в течение дня используются разными людьми для различных целей. Некоторые люди чувствительны к сквознякам, в то время как другие не замечают подвижности воздуха. При проектировании систем микроклимата следует ориентироваться на более жесткие требования к подвижности воздуха, так как на практике гораздо труднее уменьшить сквозняки, чем организовать индивидуальный обдув (например, с помощью настольных вентиляторов). Итак, второе условие для проектирования состоит в том, что системы ОВК должны предусматривать возможность индивидуального регулирования параметров в рабочей зоне (по крайней мере, температуры и подвижности воздуха) в пределах нормативного диапазона.

Проектирование с учетом индивидуальных требований

Следующим этапом в разработке проекта является обеспечение возможности удовлетворения индивидуальных требований к микроклимату. Усредненные нормативные параметры микроклимата могут быть неприемлемы для некоторых или даже для большинства людей в конкретном случае. В одном и том же помещении могут находиться люди, предпочитающие более высокую или более низкую температуру воздуха. Наиболее часто на практике встречается различие в требованиях к подвижности воздуха. Люди вынуждены находить компромисс по различным параметрам микроклимата. Например, зимой люди с повышенными требованиями к качеству воздуха допускают более низкую температуру в помещении, в то время как для тех, кто восприимчив к сквознякам, это нежелательно. Компромиссные сочетания параметров микроклимата могут быть разными для различных групп и изменяться с течением времени. Следовательно, каждый человек в помещении должен иметь средства для обеспечения индивидуальных требований к микроклимату в своей микрозоне.

Новая стратегия проектирования

Проведенные исследования (Berglund и Cain, 1989; Fang, 1996) показали, что при пониженной температуре и влажности ощущаемое качество воздуха кажется более высоким (это справедливо как для чистого, так и для загрязненного воздуха). Фангер (1997) рекомендует проектировать системы ОВК в расчете на умеренную энтальпию воздуха в помещениях, т.е. низкую температуру и относительную влажность. Этот новый принцип вентиляции - вентиляция при пониженной энтальпии (LEV) способствует улучшению ощущаемого качества воздуха при снижении потребности в воздухообмене и соответственном снижении энергопотребления.

Возможность сокращения затрат энергии системами ОВК путем уменьшения температуры воздуха ниже среднего нормативного уровня и обеспечение индивидуального теплового комфорта путем использования средств локального обогрева была установлена ранее (Madsen и Saxhof, 1979; Sorlie, 1993; Wyon, 1996). Недавно Меликов предложил рекомендации по расчету локального отопления, основанные на экспериментальных исследованиях. Испытания показали, что локальный обогрев в сочетании с подбором одежды может обеспечить тепловой комфорт при снижении температуры помещения до 200С. Большинство испытуемых имели возможность регулирования теплоотдачи локальных отопительных панелей и обеспечивали желательные температурные условия за короткое время. По-видимому, индивидуальное регулирование параметров микроклимата позволит улучшить общую оценку теплового комфорта в помещении, уменьшить количество жалоб и повысить производительность труда работников. Однако для обоснования этих выводов необходимы дополнительные исследования.

Дальнейшее улучшение микроклимата в помещении может быть достигнуто путем использования локального обогрева в сочетании с подачей вентиляционного воздуха непосредственно в зону дыхания людей. Основная проблема при этом состоит в том, чтобы ограничить подмешивание загрязненного воздуха помещения к приточному. Таким образом, минимальная фоновая общеобменная вентиляция, поддерживающая допустимые условия в помещении по температуре и качеству воздуха, в сочетании с индивидуальными средствами регулирования параметров микроклимата может быть оптимальным решением с точки зрения энергосбережения и обеспеченности теплового комфорта.

Дальнейшие исследования и разработка стандартов

Нормативные данные, описывающие локальные нарушения теплового комфорта, основаны на лабораторных исследованиях. Испытуемые на фоне нейтральной тепловой обстановки подвергались воздействию какого-либо одного фактора, создающего дискомфорт, например - сквозняки, неравномерность распределения температур по вертикали или асимметрия лучистого теплообмена. На практике, однако, люди подвергаются одновременному воздействию нескольких факторов дискомфорта на фоне слабого перегрева или переохлаждения. Например, в помещениях с системой приточной вентиляции, действующей по принципу "вытеснения", люди испытывают дутье по ногам и одновременно большой температурный градиент по высоте. В зимнее время в помещениях с "перемешивающей" системой воздухораспределения люди подвергаются воздействию сквозняков одновременно с асимметрией лучистого теплообмена по отношению к охлажденной поверхности оконных стекол. Такое воздействие факторов дискомфорта на человека может привести к различным результатам; этот вопрос нуждается в дополнительном изучении. Последние исследования в этой области (Mayer и Schwab, 1988; Toftun, 1997) показывают, что направление дутья является существенным фактором при оценке дискомфорта от сквозняков. Это необходимо принимать во внимание при выборе систем воздухораспределения. Для улучшения качества проектирования систем ОВК необходимо обновление существующих нормативных документов по тепловому комфорту с учетом результатов последних исследований в этой области.

Большинство исследований в области теплового комфорта проводилось в станционарных условиях. Однако в реальности тепловая обстановка, одежда и уровень активности людей меняются в течение рабочего дня, что, в свою очередь, оказывает влияние на ощущение теплового комфорта. Проводились исследования реакции человеческого организма на кратковременные изменения микроклимата (Kuno, 19??; Knudsen и Fanger, 1990 и др.).

Дальнейшее изучение реакции человека на кратковременные изменеиия тепловой обстановки позволит определить новые направления в проектировании систем ОВК.

ОЦЕНКА УРОВНЯ ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА ПОМЕЩЕНИЯ

Основная задача оценки состояния микроклимата помещения - удостоверить соответствие фактических значений параметров воздуха требуемым для обеспечения нормальных условий пребывания людей. Натурные обследования в помещениях во время пребывания людей дают возможность выявить причины жалоб и адаптировать системы ОВК для улучшения уровня комфортности (Verbeeck и Hens, 1997) . Для этой цели выполняются теоретические расчеты и измерения физических параметров воздушной среды. Порядок проведения натурных испытаний (измеряемые величины и места расположения измерительных приборов) регламентирован стандартами (ISO Standard 7726, 1985; ASHRAE Standard 55, 1992; ASHRAE Standard 113, 1990).

Некорректная оценка

Обычно принято тестировать производительность новых систем ОВК до их ввода в эксплуатацию. Как правило, измерения параметров воздушной среды проводятся по всему объему помещения. Результаты измерений используются для оценки соответствия параметров воздушной среды в помещениях общим требованиям теплового комфорта, а также для оценки локального дискомфорта. Однако очень часто методика проведения обследований не соответствует стандартам. В некоторых случаях обследование ограничивается только проверкой общих условий теплового комфорта, тогда как локальный дискомфорт вообще не исследуется или выбираются неверные критерии его оценки. В других случаях могут быть некорректно выбраны места замеров в помещении.

Недостаточная точность измерений может быть причиной расхождения реального восприятия микроклимата и ожидаемой оценки, основанной на результатах измерений. Меликов и Sawachi (1992), например, отмечали различие до 100 % в показаниях пяти термоанемометров различных типов, имеющихся в продаже, хотя измерения средней скорости и турбулентных пульсаций воздушных потоков проводились в одинаковых условиях. Очевидно, проведенная с такими приборами оценка вероятности сквозняков будет ошибочной.

Некорректность методики опроса испытуемых и анализа результатов опросов также приводят к неверной оценке микроклимата. (Levermore и Leventis, 1997). Во многих случаях натурные обследования ограничиваются оценкой какого-либо одного из параметров микроклимата, например, температурной составляющей. Однако ощущение комфорта людьми может формироваться под влиянием качества воздуха, уровня шума и других факторов, не связанных с тепловой обстановкой. Как показал Fang (1996), качество воздуха в помещении воспринимается как более высокое при снижении температуры и относительной влажности, т.е. при уменьшении энтальпии воздуха. Следовательно, можно предположить, что в помещениях с загрязненным воздухом людям желательно снижение температуры не в связи с тепловым комфортом, а для общего улучшения субъективного восприятия микроклимата помещения. В таких случаях, если при составлении опросных листов и анализе результатов не учтены указанные обстоятельства, вполне возможны ошибочные выводы.

КОЛЛЕКТИВНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ЗА МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЯ

Инженеры, проектирующие системы ОВК, могут предложить решения, обеспечивающие оптимальные параметры микроклимата с учетом результатов проведенных исследований, новых концепций технологии и регулирования систем. Однако даже хороший проект не может гарантировать отсутствие жалоб на микроклимат при недостаточно высоком уровне эксплуатации и обслуживания.

Задача обеспечения надлежащего микроклимата в помещениях стоит главным образом перед службами эксплуатации здания и операторами систем ОВК. Некачественно обслуживаемые системы микроклимата становятся причиной многих неудобств для персонала. Например, при большой скорости подачи воздуха некоторые из находящихся в помещении людей могут выключить приточное устройство или, в случае перегрева, открыть окна, что обычно приводит к дискомфорту для всех остальных. В результате возникают жалобы, и может снизиться производительность труда работников. К тому же во многих случаях возрастает энергопотребление системами ОВК. Часто все трудности сводят к недостатку ресурсов для обеспечения требуемых параметров; систему начинают эксплуатировать в нерасчетном режиме, что усугубляет проблемы с микроклиматом в помещениях и приводит к возрастанию эксплуатационных затрат.

Поведение людей, находящихся в кондиционируемых помещениях, имеет немаловажное значение как для поддержания заданных параметров воздушной среды, так и для энергосбережения. Во время проведения натурных обследований были отмечены случаи неудовлетворительной работы систем микроклимата из-за недостатка знаний, пассивности или неправильных действий пользователей. Так, например, в помещениях с напольной подачей вентиляционного воздуха приточные устройства были загорожены мебелью и офисным оборудованием, что оказало влияние на воздухообмен в этих помещениях и на производительность системы в целом.

Архитекторы играют значительную роль на этапе проектирования систем микроклимата. Например, окна, являясь архитектурным элементом здания, оказывают непосредственное воздействие на освещенность и тепловую обстановку в помещении. При неудачном расположении окон с большой поверхностью остекления конвективные ниспадающие потоки воздуха в зимнее время могут служить причиной сквозняков.

Обеспечение заданных параметров микроклимата в помещении при экономичном энергопотреблении достигается согласованными действиями проектировщиков, обслуживающего персонала, архитекторов и пользователей систем ОВК. От правильного понимания всех факторов, оказывающих влияние на микроклимат, зависит возможность его поддержания на оптимальном уровне. Повышению уровня знаний в этой области способствуют специальные образовательные программы для проектировщиков, операторов и пользователей.