IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

  Введение

Хорошее физическое самочувствие человека зависит от параметров теплового комфорта в производственных помещениях. Тепловой комфорт считается достигнутым, когда человек удовлетворен температурой, влажностью и скоростью движения воздуха  в помещении.

Человек чувствует себя комфортно в случае, когда от него отводится столько теплоты, сколько вырабатывает его организм, т.е. комфортное ощущение человека зависит от баланса между теплогенерацией и теплопотерями в окружающую среду. В результате теплообмена внутренняя температура человеческого тела поддерживается на уровне 36,6-36,8°C и управляется таким сложным механизмом как автоматическая терморегуляция организма - увеличение или уменьшение потока крови через кожный покров, а также усиленным или пониженным обменом веществ. Температура кожного покрова человека в среднем равна 33°C и зависит от параметров окружающей среды. На рис. 1 показано изменение температуры кожного покрова различных участков тела в зависимости от изменения температуры окружающей среды. Поскольку известно, что самочувствие человека в значительный степени определяется потерей им лучистой теплоты, создание комфортных производственных условий должно быть теоретически обосновано путем моделирования процесса лучистого теплообмена человека с  внутренними поверхностями производственных помещений.     

Рис.1. Изменение температуры кожного покрова различных участков тела в зависимости от изменения температуры окружающей среды

Параметры теплового комфорта

Теплота, которая выделяется человеческим организмом, передается во внешнюю среду через кожный покров посредством радиационного теплообмена, конвекции, теплопроводности и испарения, а также путем выдыхания теплого воздуха.

Радиационный обмен теплоты происходит между человеком и поверхностями ограждений, его величина и направление зависят от площадей этих поверхностей [2]. Конвекция и теплопроводность зависят от температуры, влажности и скорости воздуха, а также вида и теплопроводности одежды.

Испарение влаги с поверхности человеческого тела происходит за счет разности парциальных давлений водяных паров в насыщенном слое у поверхности тела и в воздухе помещения. При этом расходуется теплота (энергия) организма, которая идет на испарение влаги. Чем ниже значение относительной влажности воздуха при данной температуре в помещении, тем больше будет теплоотдача за счет испарения. Комфортные параметры окружающей среды могут иметь различные значения, и главным образом, зависят от интенсивности труда, совершаемого человеком, и его одежды. В зависимости от того, в каком состоянии находится организм человека (сон, отдых, умственная или физическая работа) и параметров воздушной среды, каждый человек выделяет 330-1050 кДж теплоты, 40-415 г влаги и 18-36 литров углекислого газа в течение часа.  

С ростом физической нагрузки на организм, при постоянной температуре воздуха и поверхностей ограждений увеличиваются показатели тепловыделения и отводимой испарением влаги. При неизменной нагрузке и повышении температуры окружающей среды уменьшается доля явного теплоотвода, а теплоотвод  испарением возрастает при практически неизменных общих тепловыделениях.

В зависимости от производимой деятельности человек выделяет теплоту, которая обычно равномерно отдается в окружающее пространство. Значения общего теплопоступления от одного человека приведены в табл. 1.

Таблица 1 Значения теплопоступлений от человека

Деятельность	Степень активности	Общее теплопоступление, Вт
Сидячая работа	I	100
Легкая нагрузка стоя	II	150
Работа средней тяжести	III	200
Тяжелая физическая работа	IV	более 250

Если от человека отводится слишком много теплоты, например, из-за пониженной температуры поверхности ограждающих стен, то это воспринимается как дискомфорт.

Значения параметров зоны комфорта и теплопоступлений от людей зависит от температуры воздуха в помещении и вида выполняемой работы, так, например, для жилых помещений кухни температура воздуха 20 ⁰С, температура поверхности стен 15 ⁰С, относительная влажность воздуха 50-80 %.

Угловой коэффициент облучения

При моделировании лучистого теплообмена с ограждающими конструкциями принята стационарная модель человека в одежде различной утепленности, термические свойства которой учитываются средней температурой внешней поверхности одежды человека _ч  и открытых участков кожи, что отражает его физическое состояние при нахождении в различных частях помещения. Она отличается от схемы расчета, приведенной в работах О. Фангера [5], который рассматривает теплообмен человека с ограждающими конструкциями только при нахождении его в центре помещения.

Величина лучистого теплообмена поверхности человека с наружным ограждением определяется по формуле

где  - приведенный коэффициент излучения, Вт/(м²К⁴); φ_ч.огр. - угловой коэффициент излучения поверхности тела человека на поверхность наружного ограждения; _в - температура на внутренней поверхности наружного ограждения, °С.

В уравнении (1) угловой коэффициент облучения  φ_ч.огр.  характеризует долю энергии, излучаемой поверхностью тела человека, падающей на поверхности ограждающих  конструкций.

В.Н. Богословский [2] в зависимости от площади облучаемой поверхности ограждения F_пов и расстояния между облучаемой и облучающей поверхностями x человека рекомендует для определения коэффициента углового облучения ориентировочную формулу

Данное выражение имеет ограниченное применение, поскольку получено при условии нахождения человека только по центру помещения.

Исследования, проведенные И.И. Шаркаускасом [6] на цилиндрической модели высотой 1,8 м и диаметром 0,28 м методом светового моделирования, позволили получить по центру  помещения значения  углового коэффициента облучения в виде набора диаграмм.

В своих работах О. Фангер [5] при определении углового  коэффициента  облучения человека на вертикальную поверхность рассматривает  не фигуру человека в целом, а лишь точку на его поверхности. Для сидящего человека эта точка находится на расстоянии 0,6 м, а стоящего - на расстоянии 1 м от уровня пола в центре помещения.

Таким образом, известные методы расчета [2, 5] имеют ограниченный характер практического применения, поскольку позволяют определить значения углового коэффициента облучения для человека, передвигающегося только по центральной оси помещения. Кроме того, известные методики [6-9] не могут быть использованы при составлении программных продуктов автоматизированного проектирования.

Нами при определении углового коэффициента облучения принята фигура человека в одежде различной утепленности в виде цилиндра. При этом за излучаемую поверхность человека при теплообмене с вертикальной плоскостью принята прямоугольная плоскость в середине цилиндра, высотой Z = 1,8 м, диаметром d = 0,28 м и площадью F_z = 0,504 м², которая может находиться в различных местах плоскости пола. Схема возможного перемещения человека представлена на рис.2, с шагом 0,5 0,5 м. Размеры наружного ограждения обозначаются параметрами l_в.о и Z₂ = const; расстояние от наружной поверхности наружного ограждения  в глубь помещения обозначают в = const; высота человека Z₁; у₁ - аргумент; (в - у₁) - перемещение человека в глубь помещения; переменная Х (0 ≤ х ≤  l_в.о) - перемещение человека от центральной оси помещения параллельно наружному ограждению.

Принимается, что человек перемещается по поверхности пола в местах пересечения линий расчетной сетки. Такие условия позволяют определить угловой коэффициент облучения в различных местах нахождения человека в помещении [10,11]. Исходя из этих предпосылок, нами определяется угловой коэффициент облучения между человеком и окном (φ_ч.ост.), простенком (φ_{ч.прост.}), перемычкой (φ_{ч.перем.}), и отопительным прибором (φ_ч.отп).

Угловой коэффициент облучения между человеком и наружным ограждением можно записать в следующем виде:

где F_z - прямоугольная плоскость середины цилиндра, м².

Согласно принятым условиям лучистого теплообмена (рис.2)

Выражение (3) можно записать в следующем виде:

или

Расстояние между и можно описать следующим выражением [12]:

Подставив выражение (7) в уравнение (6) и выполнив некоторые вычисления, получим

Согласно принятой схеме (рис.  2.) пределы интегрирования по горизонтали 0 ≤ х ≤  l_в.о и по вертикали 0 ≤ Z ≤ Z₂ , поэтому пределы интегрирования углового коэффициента облучения

Обозначим  и , тогда . Примем  или .

Угловой коэффициент облучения с учетом принятых обозначений можно представить в следующем виде:

Проинтегрируем выражение

И, наконец, подставляя (12) в (11), получим выражение для определения углового коэффициента облучения между человеком и наружным ограждением в любой точке пространства производственных помещений  ресторанного комплекса [13]:

Выводы

Результаты выполненных исследований позволили выявить закономерности  лучистого теплообмена человека в одежде различной утепленности, находящегося в любой точке площади пола помещения.

При моделировании лучистого теплообмена человека с внутренними поверхностями наружного ограждения производственных помещений ресторанных комплексов использовано предложенное нами аналитическое выражение для определения углового коэффициента облучения.

Библиографический список

1. Сушко, Е.А. Разработка методики расчета рациональных режимов систем вентиляции производственных помещений / Е.А. Сушко, К.Н. Сотникова, С.Л. Карпов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. - №2 (22). -  С. 143-149.
2. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика / В.Н. Богословский. - М.: Высшая школа, 1982. - 344 с.
3. Спэрро, Э.М. Теплообмен излучением / Спэрро Э.М., Сесс Р.Д. - Л.: Энергия, 1971. - 230 с.
4. Biro, K. Sik Feuet esc so kozotti besugazasi tenyezo meghatarozasa. Epuletgepeszet. 1975, N 1, pp. 224-226.
5. Fanger, R. Thermal comfort. Copengagen, 1970, 285 p.
6. Шаркаускас, И. И. К расчету систем лучистого отопления помещений / И.И. Шаркаускас // Научные труды МИСИ. - 1967. -  Вып. 52. - С. 45-52.
7. Сотникова, К.Н. Оптимизация распределения тепловой мощности в источнике энергоснабжения / К.Н. Сотникова, А.В. Муратов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - Т.5. - № 4. - С.87-89.
8. Сотникова, К.Н. Автоматизация процесса управления тепловыми потоками в помещениях / К.Н. Сотникова, А.В. Муратов // Инженерные системы и сооружения. - 2009. -№1. - С.48-50.
9. Сотникова, К.Н. Разработка алгоритма оптимизации расхода топлива источником теплоты / К.Н. Сотникова, А.С. Бабич // Инженерные системы и сооружения. - 2010. - №1. - С. 125-131.
10. Сотникова, О.А. Расчет экономической эффективности применения конденсационных теплообменных устройств теплогенерирующих установок /  О.А.Сотникова, Н.А. Петрикеева // Научный вестник Воронежского государственно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2008. - №1. - С.113-117.
11. Сотникова, О.А. Разработка математической модели тепломассообмена в напорных теплоутилизаторах / О.А.Сотникова, Н.А. Петрикеева // Вестник Воронежского государственного технического университета.- 2005. - Т.1. - № 6.- С.79.
12. Сотникова, О.А. Энергосберегающая эксплуатация сооружений при эффективной пассивной защите строительных конструкций / О.А. Сотникова, Л.В. Кузнецова // Безопасность жизнедеятельности. - 2009. - № 10. - С.9-11.
13. Сотникова, О.А. Расчет лучистого теплообмена в энергетических установок с вихревыми топочными устройствами / О.А. Сотникова, Д.Б. Кладов // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура.- 2011.- № 1. - С. 22-28.

Код для цитирования: Скопировать