Расчетные параметры внутреннего воздуха

Санитарно-гигиенические требования регламентируют микроклимат в обслуживаемом помещении. Показателями, характеризующими микроклимат, являются:

­ температура воздуха;

­ относительная влажность воздуха;

­ скорость движения воздуха в помещении (подвижность воздуха).

Помимо этих параметров в помещении нормируются:

­ чистота воздуха в зоне пребывания людей согласно ГОСТ 12.1.005-88, а также нормативным документам Госсанэпиднадзора России; должны отсутствовать местные вредные и неприятные токи воздуха и застойные места, а содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны не должно превышать предельно допустимых концентраций (ПДК);

­ уровень шума в помещении (нормы допустимых шумов следует принимать согласно требованиям СНиП 23-03-2003);

­ минимальный расход свежего (наружного) воздуха на одного человека (принимается согласно СНиП 41-01-2003).

Самочувствие человека в помещении зависит от многих факторов, основными из которых являются условия тепло-и влагообмена. Такие условия, в свою очередь, зависят от индивидуальных особенностей организма, состояния здоровья, нервного напряжения, одежды, микроклимата в помещении, категории выполняемой работы. Действующие санитарные нормы разделяют все виды физической работы в производственных помещениях на три категории: легкая, средней тяжести и тяжелая. Очень важным для самочувствия человека является наличие в помещении свежего (наружного воздуха). Имеют значение также психологическое состояние человека, его привычки, пол и возраст, наличие неприятных или приятных запахов, уровень шума, интенсивность освещения, цвет ограждений и т.д.

Выбор сочетаний параметров внутреннего и наружного воздуха осложнен тем, что тепловые ощущения человека зависят:

­ от климатического района, что предопределяет общую приспособляемость организма к климатическим условиям. Например, для жителей средней полосы летом комфортная температура t_в = 22 ºC, тогда как для «южан» она более высокая (t_в = 25 ºC);

­ от времени года, что учитывает сезонную приспособляемость организма.

Как правило, в холодный период года из комфортных соображений принимают более низкую температуру, а в теплый период − более высокую. Не всеми из перечисленных факторов можно управлять, однако многие из них могут отражаться на оценке эффективности работы СКВ.

Комфортные условия определяются на основании сравнения данных, полученных в результате испытаний с большими группами людей, помещаемых в специальные климатические камеры. Испытуемым создают различные сочетания параметров воздушной среды. Состояние испытуемых оценивают как рядом объективных показателей: температурой тела, пульсом, артериальным давлением, потерей веса; так и субъективными оценками (по шкале «холодно», «нормально», «тепло», «жарко»). Результаты испытаний обрабатывают статистически, после чего делают вывод о сочетаниях параметров, благоприятных для наибольшего числа испытуемых.

Расчетные параметры внутреннего воздуха при кондиционировании следует поддерживать в пределах оптимальных параметров согласно требованиям СНиП 41-01-2003.

В таблице 1 приводятся параметры внутреннего воздуха при технологическом кондиционировании для некоторых производственных процессов пищевой промышленности.

Таблица 1

Если количество и качество продукции зависит от соблюдения точного режима технологического процесса, а не от интенсивности труда работающих, то определяющими являются требования технологического процесса. В этом случае необходимые параметры воздушной среды задаются отраслевыми документами. В производственных помещениях пищевых предприятий осуществляется переработка сырья, его измельчение, упаковывание полуфабрикатов и готовой продукции. Качество вырабатываемых продуктов, их усушка, товарный вид, а также сроки последующего хранения в значительной степени зависят от параметров и санитарно-гигиенического состояния воздушной среды этих помещений.

В силу особенностей технологического процесса и возможного загрязнения атмосферного воздуха в помещении могут содержаться различные вредные вещества − аэрозоли и пары. Эти вещества по степени воздействия на организм человека разделяются на четыре класса (I − вещества чрезвычайно опасные, 2 − вещества высоко опасные, 3 − вещества умеренно опасные, 4 − вещества мало опасные). ПДК − предельно допустимая концентрация вредных веществ, т.е. содержание вредных веществ в единице объема воздуха помещения, которое при ежедневном длительном воздействии на протяжении всей жизни человека не оказывает патологического воздействия на организм.

При одновременном содержании в воздухе рабочей зоны нескольких вредных веществ однонаправленного действия сумма их относительных концентраций не должна превышать единицу:

. (27)

где С₁, С₂… С_n − концентрация веществ 1, 2, … n, мг/м³; ПДК₁, ПДК₂… ПДК_n − соответствующие ПДК для веществ 1, 2, … n.

Если в помещении выделяются несколько вредных веществ не однонаправленного действия, то ведется расчет на разбавление каждого из них наружным воздухом. Требуемый расход воздуха принимается по веществу, на разбавление которого до ПДК требуется наибольшее количество воздуха.

4. ТЕПЛОВЛАЖНОСТНАЯ НАГРУЗКА ПОМЕЩЕНИЯ
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СКВ

Производительность системы кондиционирования воздуха выбирается на основе тепловлажностной и газовой нагрузки помещения. По выбранной производительности ведут расчет тепломассообменного оборудования и нагнетателей СКВ.

Основные источники поступления теплоты и влаги в помещения − ограждающие конструкции, обрабатываемые продукты, технологические аппараты, электродвигатели, люди, осветительные приборы и др. Все составляющие классифицируются на наружные и внутренние, а также на постоянные, изменяющиеся периодически или случайным образом.

Общий теплоприток, поступающий в помещение (со знаком плюс) или теряемый им (со знаком минус) определяется по уравнению:

∑Q = ± Q_oгр ± Q_пр ± Q_ап +Q_л + Q_эл + Q_осв, (28)

где Q_oгр, Q_пр, Q_ап, Q_л, Q_эл, Q_осв − теплопритоки, поступающие соответственно через ограждающие конструкции, от продуктов, технологических аппаратов, от людей, от электродвигателей, от осветительных приборов, Вт.

Общий влагоприток, поступающий в кондиционируемые помещения (со знаком плюс) или теряемый ими (со знаком минус) определяется по уравнению:

∑W = ± W_oгр ± W_пр + W_исп +W_л, (29)

где W_огр, W_пр, W_исп W_л − влагопритоки соответственно через ограждающие конструкции; от продуктов; поступающие вследствие испарения влаги со смоченных поверхностей пола и оборудования; от людей, кг/с.

Расчет общего тепло-и влагопритока выполняется раздельно для теплого и холодного периодов года. Значения общего тепло-и влагопритока, полученные после сложения всех составляющих, обычно увеличивают на 5...10% с целью учета поступлений теплоты и влаги, которые затруднительно определить расчетным путем.

Определение теплопритоков

Теплопритоки через ограждающие конструкции помещений Q_OГР..Расчет поступления тепла через внешние ограждающие конструкции в летний период года затрудняется существенными колебаниями температуры наружного воздуха в течение суток и еще большими колебаниями теплового потока на наружных поверхностях ограждений за счет солнечного излучения. Значительное влияние на теплообмен оказывает и массивность ограждений, уменьшающая амплитуду колебаний температуры на внутренней поверхности ограждающих конструкций. Потери тепла через ограждающие конструкции в зимний период года рассчитывают в предположении стационарного режима, так как зимой значительных колебаний температуры наружного воздуха и особенно колебаний температуры на наружной стороне ограждений не наблюдается. Расчет теплопередачи выполняется по методике, приведенной в СНиП II-3-79*.

Теплопритоки в помещение могут поступать: от разности температур наружного и внутреннего воздуха (трансмиссионное тепло); от солнечной радиации (инсоляция); в результате инфильтрации воздуха.

а) Трансмиссионное тепло Q_огр.тр вычисляют отдельно через каждый элемент ограждающих конструкций и остекления по формуле:

Q_огр.тр = k·F (t_н – 0,5·А_t − t_в), (30)

где k − коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); F − площадь ограждения, м²; t_н, t_в − температура соответственно наружного и внутреннего воздуха, °С; А_t − амплитуда суточного колебания температуры (учитывается только для теплого периода года), °С.

б) Теплопритоки от солнечной радиации складываются из теплопритоков через массивные ограждения (стены, кровли, покрытия) Q_огр.с и теплопритоков через световые покрытия Q_огр.с.п. Теплоприток от солнечной радиации для массивных ограждений рассчитывается по формуле:

Q_огр.с = k·F·Δt_с, (31)

где F − площадь ограждения, м²; Δt_с − избыточная разность температур от действия солнечной радиации, °С.

Для расчета теплопритока от солнечной радиации необходимо вводить поправочные коэффициенты на ориентацию здания по сторонам света. Выбор цвета наружных стен является важным фактором уменьшения или усиления теплопритоков. В расчетах учитывается определенный коэффициент поглощения тепла, который может достигать 0,9 для стены темного цвета. Чем больше массивность стены (вес стены на квадратный метр площади), тем тепловые нагрузки ниже по величине и изменяются на протяжении длительного времени. В то же время очень легкая стена почти сразу передает полученное от солнечного излучения тепло в помещение. Учет этих свойств очень важен при расчете тепловых нагрузок в помещении. Теплоприток от солнечной радиации учитывается для летнего и переходного периодов, начиная от наружных температур плюс 10 °С и выше.

Теплоприток от солнечной радиации через световые проемы рассчитывается для теплого и холодного периодов года по формуле:

Q_{огр.с.п.} = q_р·F_с.п·с_з, (32)

где q_р − количество теплоты, поступающей от солнечной радиации через 1м² светового проема, Вт/м²; F_с.п − площадь светового проема, м²; с_з − поправочный коэффициент солнцезащиты.

Количество теплоты q_р от солнечной радиации состоит из двух компонентов: прямой составляющей и рассеянной. Интенсивность излучения зависит от широты местности и варьируется в зависимости от времени года и времени суток. Поступление тепла от солнечной радиации зависит от рода и структуры стекла, состояния и цвета их поверхности, угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность, ориентации поверхности по сторонам света и др. Для некоторых типов остекления почти до 90 % тепла солнечного излучения может передаваться в помещение, а остальная часть отражается.

За расчетное количество тепла, поступающего от солнечной радиации, для данного помещения принимается большее из двух следующих значений:

1. количество тепла, поступающего через остекленную поверхность одной из стен, расположенной наиболее выгодно в отношении поступления тепла от радиации или имеющей наибольшую световую поверхность, включая и тепло, поступающее через облучаемые поверхности фонарей и покрытия;

2. 70 % количества тепла, поступающего через остекленные поверхности двух взаимно перпендикулярных стен помещения, включая и тепло, поступающее через облучаемые поверхности фонарей и покрытия.

Для уменьшения теплопоступлений от солнечной радиации рекомендуется по возможности ориентировать помещения световыми проемами на север, устраивать минимальное количество световых проемов, избегать устройства фонарей, применять защитные противоинсоляционные приспособления: двойное остекление, забелку остекления, устройство штор, козырьков, жалюзи. В результате применения указанных защитных приспособлений теплопоступ-ления от солнечной радиации могут быть уменьшены до 60%.

Теплопритоки от инфильтрации. Инфильтрация, или проникновение наружного воздуха под действием ветра и разности температур через неплотности наружных ограждающих конструкций, является фактором, которым нельзя пренебрегать. Особенно ее надо учитывать для окон и дверей, расположенных с подветренной стороны.

Расход тепла за счет инфильтрации, определяется по формуле:

Q_{огр.инф} = L_инф·c_в·ρ (t_в – t_н), (33)

где Q_{огр.инф} − тепло, поступающее за счет инфильтрации, Вт; L_инф − количество воздуха, проникающего в помещение, м³/с; c_в − теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); ρ − плотность воздуха, кг/м³.

Объемный расход воздуха, проникающего через двери и щели, определяется по формуле:

L_инф = L_дв + L_щ = L_дв1·n_л + L_щ1·ℓ_щ , (34)

где L_дв, L_щ, − количество воздуха соответственно, поступающего через двери и щели, м³/с; L_дв1 − удельное количество воздуха, проникающего при проходе одного человека, м³/с; L_щ1 − удельное количество воздуха, проникающего через 1 м длины щели, м³/(с∙м); n_л − количество людей; ℓ_щ − длина щели, м.

Необходимо учитывать, что проникающий за счет инфильтрации зимний воздух несет отрицательную тепловую нагрузку. Наружный воздух в летний период, имеющий большее теплосодержание, чем в помещении, создает дополнительную нагрузку на охлаждающее оборудование. В расчетах принимаются только окна, двери и фонари, выходящие на наветренные стороны помещения. Если в помещении предусмотрен избыточный подпор воздуха (количество подаваемого воздуха превышает количество удаляемого) и в случае установки герметичных стеклопакетов и специальных уплотнений (плотная замазка, резиновые прокладки и т.п.) инфильтрация, поступающая через щели оконных проемов и пришедшая с ней влага W_огр, не учитываются в расчетах.

Теплопритоки от продуктов.Одним из основных источников поступлений теплоты и влаги в кондиционируемые помещения являются обрабатываемые продукты и материалы. Количество теплоты от продуктов определяется по формуле:

, (35)

где М_пр − масса продуктов, одновременно находящихся в помещении, кг; τ − продолжительность обработки продуктов, с; i_нач, i_кон − начальная и конечная энтальпии продуктов, кДж/кг.

Теплопритоки от технологических аппаратовможно определить по справочным данным, приведенным для основных видов технологического оборудования. Если данные по отдельным видам оборудования не известны, то теплопритоки от технологического оборудования можно определить по формуле:

Q_ап = q_ап·F_ап = (α_к + α_л)·(t_пов – t_в)·F_ап, (36)

где q_ап − тепловой поток, поступающий от 1 м² ограждений оборудования, Вт/м²; F_ап − площадь поверхности наружных ограждений оборудования, м²; α_к − коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²·К), α_л − коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м²·К); t_пов − средняя температура нагретой поверхности ограждения, °С; t_в − средняя температура воздуха в помещении, °С.

Тепловыделения от людей зависят от интенсивности выполняемой работы и параметров окружающего воздуха. Тепло, выделяемое людьми, складывается из ощутимого (явного), т.е. передаваемого в воздух помещения путем конвекции и лучеиспускания, и скрытого тепла, затрачиваемого на испарение влаги с поверхности кожи и из легких. Соотношение между количеством ощутимого и скрытого тепла зависит от интенсивности мускульной работы, производимой человеком и от параметров окружающего воздуха. С повышением интенсивности работы и температуры окружающего воздуха увеличивается доля тепла, передаваемого в виде скрытого тепла испарения. Тепловыделения от людей определяются по формуле:

Q_л = q_л·n_л , (37)

где q_л − количество полной теплоты, выделяемой одним человеком, Вт; n_л− число людей.

Теплопритоки от электродвигателей.Поступление теплоты, обусловленное превращением электрической энергии в теплоту при работе электрооборудования определяется по формуле:

Q_эл = N_эл·η·ξ, (38)

где N_эл − общая мощность установленных электродвигателей, Вт; η = 0,5...0,9 − коэффициент одновременности работы электродвигателей; ξ − часть мощности, расходуемая в помещении.

Для электродвигателей, приводящих во вращение вентилятор:

ξ = 1, если электродвигатель и оборудование внутри помещения;

ξ = η_эл, если электродвигатель установлен за пределами помещения, а оборудование внутри (η_эл = 0,9...0,95);

ξ = 1 – η_эл, если электродвигатель установлен внутри помещения, а оборудование за пределами помещения.

Для другого типа оборудования ξ берется из справочников.

Теплопритоки от осветительных приборов.Энергия, подводимая к источникам света, практически вся переходит в тепло. Теплоприток от системы освещения рассчитывается по формуле:

Q_осв = N_осв·а₁·а₂, (39)

где N_осв − общая установленная мощность осветительных приборов, Вт; а₁ − коэффициент, учитывающий вид осветительных приборов (а₁ = 0,92…0,97 − для люминесцентных ламп); а₂ = 0,85...0,9 − коэффициент, учитывающий загрязнение осветительных приборов.

Определение влагопритоков

Влагопритоки через ограждающие конструкции помещений.Инфильтрационный воздух может содержать как большее, так и меньшее, количество влаги чем внутренний воздух в помещении. Увеличение или уменьшение влаги воздуха в помещении от инфильтрации определяется по формуле:

W_огр = L_инф∙ρ (d_н – d_в), (40)

где L_инф − количество воздуха, проникающего с наружным воздухом, определяется по формуле (34), м³/с; d_н, d_в − влагосодержание соответственно наружного и внутреннего воздуха, кг/кг.

Влагопритоки от продуктов и испарение влаги со смоченных поверхностей. Влагопритоки от продуктов определяют, если известны начальная и конечная влажность обрабатываемых продуктов:

, (41)

где Δg − нормируемая усушка продукта, %; τ − продолжительность процесса, с; G_пр − масса продуктов, одновременно находящихся в помещении, кг.

Если не известны начальная и конечная влажность обрабатываемых продуктов (или имеются затруднения в ее определении), а также при определении влаговыделений от открытых поверхностей пользуются формулой Дальтона:

W_исп= β·F(p_н – p_п)·101,3/р_б, (42)

где β − коэффициент массообмена, кг/(м²·с·Па); F − площадь поверхности продуктов, омываемая воздушным потоком, м²; p_н − парциальное давление насыщенного водяного пара при средней температуре поверхности продукта, Па; p_п − парциальное давление водяного пара, находящегося в воздухе, Па; р_б − расчетное барометрическое давление для данного географического пункта, кПа.

Коэффициент массообмена определяется по эмпирическим формулам в зависимости от скорости движения воздуха w (м/с):

для потока, направленного вдоль поверхности

β = (0,372 + 0,316·w)·10^–7;

для потока, направленного перпендикулярно поверхности

β = (0,79 + 0,645·w)·10^–7.

Если парциальное давление насыщенного водяного пара, находящегося на поверхности продукта, меньше парциального давления водяного пара в воздухе, то из воздуха конденсируются водяные пары. В этом случае коэффициент β характеризует интенсивность конденсации водяных паров из воздуха на поверхности продуктов. Если температура поверхности имеет положительное значение (t_пов > 0), то конденсат выпадает в виде воды; если t_пов < 0, то конденсат выпадает на поверхности продуктов в виде снега. При повышении температуры влага испаряется с поверхности продуктов, так как одновременно растет парциальное давление водяного пара.

Испарение влаги со смоченных поверхностей оборудования и пола зависит от температуры и относительной влажности воздуха и определяется по формуле (42) или приближенной формуле:

W_исп = 1,7·10^–6·F_пов (t_с – t_м), (43)

где F_пов − площадь смоченной поверхности, м²; t_с, t_м − температура воздуха в помещении соответственно по сухому и мокрому термометру, °С.

Влаговыделения от людей зависят не только от интенсивности мускульной работы, но и от температуры воздуха, его подвижности, а также температуры окружающей среды. Общее количество влаги, поступающей в помещение от людей, определяется по формуле:

W_л = W_1чел·n_л, (44)

где W_1чел − количество влаги, поступающей от одного человека, кг/с; n_л− число людей.