Теплообмен человека с окружающей средой

ЛЕКЦІЯ 3

ТЕПЛОВИЙ РЕЖИМ ВНУТРІШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА БУДИНКІВ. НОРМУВАННЯ

Теплообмен человека с окружающей средой

Комфортность тепловой обстановки помещения играет огромную роль в поддержании хорошего самочувствия, работоспособности и здоровья человека, так как большинство людей проводит в помещениях более 85% своей жизни. Температура внутренней поверхности ограждающих конструкций играет большую роль в формировании микроклимата помещений.

Системой обогрева-охлаждения в помещении должна быть создана благоприятная для человека тепловая обстановка. Человек способен поддерживать некоторое время жизнеспособность внутренних органов в диапазоне температур от 27 до 43 ˚С. Организм человека функционирует нормально при температуре тела около 36,6 ˚С. Для поддержания этой температуры человек беспрерывно выделяет тепло, которое отдается в окружающую среду. Происходит это за счет того, что в организме человека протекают метаболические процессы, в ходе которых энергия освобождается в виде теплоты и полезной работы мышц.

Метаболизм (обмен веществ) – совокупность процессов, связанных с поглощением, превращением, хранением и выделением продуктов жизнедеятельности организма.

Метаболическая тепловая энергия – теплопродукция человеческого тела – в основном зависит от рода деятельности, в некоторой степени связана с возрастом и полом человека. Теплоотдача человеческого тела в большой степени зависит от физиологического и эмоционального состояния человека, его одежды, возраста, вида выполняемой работы, индивидуальных особенностей человека и тепловых факторов окружающей среды.

За один час в спокойном состоянии человек выделяет такое количество тепла, которое позволяет довести до кипения 1 литр воды.

Холодно – среда забирает у человека тепла больше, чем он вырабатывает Жарко – среда забирает у человека тепла меньше, чем он вырабатывает.

 

Способы теплообмена человека с окружающей его средой

- излучение (45-60%);

- испарение (15-33%);

- конвекция (20-30%);

- кондукция (~10%).

Кондукция – передача тепла при контакте (человек-пол и т.п.)

Конвекция – передача тепла посредством движения воздуха около нагретой поверхности

Испарение – отдача человеком тепла с влагой, уходящей из организма

Излучение – теплообмен через лучепрозрачную воздушную среду между различно нагретыми поверхностями. Чем больше разность температур на этих поверхностях, тем интенсивнее этот лучистый теплообмен.

Таким образом, обладая свойством метаболизма, человек находится в состоянии постоянного теплообмена с окружающей его воздушной средой.

Общий тепловой (энергетический) баланс человека (Вт) можно записать следующим образом:

, (3.1)

где Q_ч - теплопродукция человека (например, студент в аудитории выделяет в час 115 Вт, лектор примерно 200 ÷ 310 Вт);

, , , - составляющие теплообмена конвекцией, излучением, кондукцией и за счет испарения. При температуре воздуха около 28 ˚С происходит скрытое, а при 34˚С - явное потоотделение. При температуре более 34˚С теплоотдача осуществляется только испарением.

, - расходы тепла на работу (механическую) и физиологические процессы организма;

- избыток или недостаток тепла в организме.

Человек чувствует себя комфортно, если величина примерно равна 0.

Теплопродукция характеризуется обменом веществ, которая определяется потреблением кислорода. В спокойном состоянии человек потребляет кислорода около 15 л/ч или 0,42·10^-5 м³/с, при этом выделяя 88 Вт тепла. При легкой работе за 1 час выделяется до 175, средней - 175 ÷ 300, а при тяжелой - 300 ÷ 700 Вт.

Энергетический коэффициент полезного действия обмена веществ человека по данным гигиенистов составляет не более 20%. Физиологические процессы требуют еще меньших затрат теплоты. Поэтому человек нуждается в постоянной отдаче теплоты в окружающую среду. Если условия среды таковы, что человек отдает не больше и не меньше теплоты, чтобы сохранить тепловой баланс без ощутимого дисбаланса, то такие условия человек оценивает как комфортные. Наличие дисбаланса теплоты вызывает нагрузку на систему терморегуляции человека.

Система терморегуляции человека действует в результате 2-х факторов: потоотделения и изменения температуры поверхности кожи человека. Задача определения комфортности тепловой обстановки в помещении состоит в создании условий для теплоотдачи человеком в окружающую среду излучением, конвекцией и потоотделением необходимого количества энергии:

где - температура воздуха помещения, ^оС;

- радиационная температура относительно человека, ^оС;

- скорость (подвижность) воздуха в помещении, м/с;

- относительная влажность воздуха в помещении.

Таким образом, организм человека является саморегулирующейся системой, физиологический механизм которой направлен на сохранение постоянства внутренней температуры путем обеспечения соответствия вырабатываемой теплоты количеству теплоты, отдаваемому во внешнюю среду. Механизмы терморегуляции активизируются раздражением кожных терморецепторов.

Тепловой комфорт – это соответствие (равновесие) между теплом, вырабатываемым организмом, и охлаждающей способностью окружающей среды.

Комфортными считаются условия, если за них высказалось 80% опрошенных людей. За рубежом очень много уделяется внимания оценке комфортности среды с использованием различного рода шкал, например, ASHRAE [2]. Все расчеты ведутся с привязкой к площади поверхности кожи человека (F_DU), так называемой поверхности Дюбуа. Площадь вычисляется по формуле

, (3.2)

где G - вес человека, кг; l - ее рост, м.

Температура внутренней поверхности ограждающих конструкций прямо влияет на радиационный теплообмен человека, а косвенно участвует в формировании температуры воздуха, а, следовательно, и в конвективном теплообмене и в теплообмене за счет испарения. Следует отметить специфику радиационного теплообмена человека. Она заключается в глубоком проникновении в ткани человека длинноволновых тепловых волн, испускаемых охлажденной или нагретой поверхностью. Поэтому радиационное переохлаждение или перегрев могут привести не только к дискомфорту, но и к болезни человека.

 

 

Параметры микроклимата

 

Каждый из элементов наземной части теплозащитной оболочки разделяет две воздушные среды:

Внешняя среда Характеризуется КЛИМАТОМ (долговременным режимом погоды) на территории возведения здания

		Внутренняя среда Характеризуется искусственно созданным МИКРОКЛИМАТОМ, который должен соответствовать функциям помещения

 

Микроклимат помещения – метеорологические условия внутренней среды помещений, которые определяются действующими на организм человека сочетаниями температуры, влажности и скорости движения воздуха.

Параметры микроклимата помещений должны быть в определенных сочетаниях между собой и не отклоняться от заданных пределов, то есть находиться в некоторой зоне комфортности тепловой обстановки. Таких зон несколько, они определяются периодом года, назначением помещения и видом выполняемой работы, возрастом человека и климатом района строительства.

Деятельность человека обычно происходит в определенной части объема помещения. Эту часть называют обслуживающей или рабочей зоной. Системы отопления и кондиционирования вместе с теплозащитой ограждающих конструкций должны обеспечить расчетные условия в зоне обслуживаемого помещения.

Температурный режим

Существуют нормы, регламентирующие расчетные температуры помещений. Для жилых зданий установлены следующие температурные параметры:

- расчетная температура внутреннего воздуха (t_в) от 17 до 28°С;

- градиент температуры по вертикали и горизонтали (Δ t_в) ≤ 3°С;

- перепад температур между внутренним воздухом и стеной ≤ 6°С;

- температура остекления ≥ 10°С;

- температура поверхности пола 18÷28°С.

В жилых помещениях температура воздуха условно считается измеренной на 1,5 м от уровня пола по центральной вертикали помещения.

 

tв

Для уточнения теплового режима в помещении температуры измеряются на высоте:

- 10 см от пола - для установления возможного дутья от дверей;

- 25 см - место излома температурной кривой;

- 75 см - верхняя граница пребывания детей;

- 150 см - верхняя граница пребывания взрослых;

- 25 см от потолка - максимальная температура помещения;

- температура на поверхности потолка.

Температуры внутреннего воздуха подразделяются также на категории:

- пониженная (8 ÷ 12 ° С) в слабо отапливаемых помещениях по условиям производственного обслуживания;

- нормальная: (12 ÷ 15 ° С) при затратах физических усилий; (18 ÷ 20 ° С) - при малоподвижном состоянии человека;

- повышенная (21 ÷ 23 ° С) человек в легкой одежде выполняет точную работу без физических усилий.

Однако более детальные исследования указывают на широкую вариацию параметров, считаются комфортными. Так рекомендуется связывать параметры микроклимата по-разному для сезонов и климатических зон. Это иллюстрирует таблица 3.1.

Таблица 3.1 - Комфортные условия в помещении

Параметр	Сезон	Климатическая зона
II	III	IV
Температура, °С	Зима Лето	18 - 20 23 - 24	18 - 19 25 - 26	17 –19 25 - 26
Относительная влажность, %	Зима Лето	30 - 45 35 - 50	30 - 50 30 - 60	35 - 50 30 - 60
Подвижность воздуха м/с	Зима Лето	0,08 - 0,1 0,08 - 0,1	0,08 – 0,1 0,1 – 0,15	0,08 - 0,1 0,1 -0,15
Температура внутренних ограждающих конструкций, °С	Зима Лето	26 - 27

 

Более детальная регламентация микроклиматических параметров осуществляется для разных по возрасту групп людей и назначению жилого помещения. Это демонстрирует таблица 3.2.

Таблица 3.2 - Классификация комфорта для разных возрастных групп населения

Группы по возрасту, лет	Помещения	Температура воздуха, °С	Относительная влажность воздуха, %	Скорость движения воздуха, м/с	Температура внутренних ограждающих конструкций, °С
12-13	Жилые Спальни	20-22 16-17	45-50 38-50	0,1-0,15 0,08-0,1
20-30	Жилые Спальни	18-20 14-15	45-50 38-50	0,1-0,15 0,08-0,1
55-60	Жилые Спальни	20-22 16-17	45-50 38-50	0,1-0,15 0,08-0,1

Еще в начале прошлого века (исследования В.М.Чаплина) оптимальной считалась температура воздуха 20°С. Современные зарубежные нормы близки или немного превышают нормативы Украины. Так, температура воздуха для зимы составляет: Польша - 18÷20˚С (ночью на 1÷1,5˚С ниже), Чехия - 18˚С, Венгрия - 20°С (общая комната), Швеция - 18÷22˚С (минимум: 18 днем, 16 ночью), Норвегия - 20˚С, Англия - 21÷22˚С, Нидерланды - 20÷22 ˚С, Франция - 18÷20 ˚С, Германия - 18÷20˚С, США - 22˚С (общая комната), Швейцария - 18÷ 20˚С (ночью 16˚С).

При организации внутренней среды необходимо уделять внимание проектированию окон. Через окна осуществляются наибольшие теплопотери - в 2÷6 раз больше, чем через стены. Нормативная температура внутренней поверхности окон, равная 6˚С, оказалась недостаточной. Необходимо поднять ее значение до 8˚С (10÷14˚С - оптимум).

На теплоощущения человека влияет так называемая радиационная температура, поскольку до 40-60% теплопотерь человека происходят излучением. Радиационная температура (t_R) может быть определена через коэффициенты облучения с человека в отдельные поверхности (φ_ч-i) со средними температурами (τ_вi) по формуле

, С (3.3)

Есть другой способ определения радиационной температуры через площади всех поверхностей (F_i). Она рассчитывается по формуле

, С. (3.4)

Температурная обстановка в помещении может быть определена двумя условиями температурного комфорта: первое условие температурного комфорта в помещении в целом; второе условие температурного комфорта на границе обслуживающей зоны в непосредственной близости от нагретых или охлажденных поверхностей.

 

 

Условия комфортности

Первое условие

Комфортной будет такая общая обстановка в помещении, при которой человек, находящийся внутри помещения, будет отдавать все явное тепло и не чувствовать перегрева или переохлаждения. Комфорт обеспечивается при различных значениях t_в и t_R. Для жилых и общественных зданий, вводят нормированные значения температуры (t _п) в холодный период: t _п = 21^оС при легкой работе, 18,5 °С при умеренной, 16^оС - при тяжелой.

С учетом допустимых отклонений (±1,5°С) рассчитывают радиационную температуру как

, С. (3.5)

Для летнего периода значение t_п принимаются равными 26˚С при легкой работе, 24˚С - при умеренной и 22˚С - при тяжелой. Тогда радиационная температура для этого периода определяется следующим образом

, С. (3.6)

Формулы 3.5 3.6 полученные аналитически и вполне согласуются с данными гигиенических исследований, проведенных в специальных камерах. При этом принятое значение явной теплоотдачи человека равно 87 Вт для холодного и 64 Вт для теплого периодов.

Однако для летнего периода желательно температурную обстановку в помещении определять с дополнительным учетом подвижности воздуха v _в. Температура помещения устанавливается из условия, что сумма теплообмена человека конвекцией, излучением и за счет расходов на испарение при температуре t_п и при температурах t_в, t_R и v_в одинакова. Температура помещения находится как

. (3.7)

 

Таблица 3.3 - Значение К_v при нормальной влажности воздуха

vв		0,1	0,2	0,3	0,6	0,9	1,2	1,5	1,8	2,1
Kv	0,5	0,59	0,67	0,73	0,78	0,82	0,84	0,86	0,87	0,88

 

Второе условие

Ограничивает интенсивность теплообмена при расположении человека у нагретых или охлажденных поверхностей. Определяющей является интенсивность лучистого теплообмена. Поверхность головы наиболее чувствительна к радиационному нагреву. Необходимо, чтобы любая элементарная площадка поверхности головы отдавала не менее 11,6 Вт/м² излучением.

Наиболее невыгодным будет положение человека по центру помещения под нагретым потолком или на расстоянии 1 м от холодной поверхности. Из указанных соображений максимально допустимая температура нагретой поверхности должна быть не более от значения, определяемого формулой

, С (3.8)

Допустимая теплоотдача излучением в сторону холодной поверхности может быть принята равной 70 Вт/м², тогда температура на поверхности должна быть не менее

, С (3.9)

 

Ориентировочно значение коэффициента облучения φ_л-п - равно

, С (3.10)

где - характерный размер панели; х - расстояние от человека к поверхности.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: