Три условия комфортности

Комфорт - условия жизни, пребывания, обстановка, обеспечивающие удобство, спокойствие, уют.

Понятие комфорта является одним из основных в терминологии систем кондиционирования воздуха. Влияние данного фактора, а точнее, смыслового содержания, которое мы вкладываем в понятие "комфорт", в значительной степени формирует все требования к СКВ.

Задаче определения численных значений параметров комфортного микроклимата посвящено большое количество исследований. В отечественной литературе существует понятие условий комфортности (1).

Первое условие комфортности температурной обстановки определяет такую область сочетаний температуры внутреннего воздуха t ви радиационной температуры помещения tR, при которых человек, находясь в центре рабочей зоны, не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения.

Таким образом, первое условие комфортности оперирует понятиями температуры внутреннего воздуха tB и радиационной температуры помещения tR. Остальные параметры внутреннего воздуха и индивидуальные характеристики человека не учитываются. По своему логическому содержанию первое условие комфортности является уравнением энергетического баланса организма человека и окружающей среды, и определяет такие сочетания параметров окружающей среды, при которых количество тепловой энергии, вырабатываемой организмом, равно количеству теплоты отдаваемой в окружающую среду.

Датский профессор Оле Фангер в результате исследований получил формулу энергетического баланса организма человека, которая учитывает значительное количество параметров окружающего микроклимата и индивидуальные характеристики человека (2).

Несмотря на кажущуюся полноту уравнения Фангера, раскрывающего первое условие комфортности, данный вопрос рассмотрен не полностью. В уравнении учтены три параметра окружающей среды, являющиеся предметом регулирования систем кондиционирования воздуха: температура, влажность и подвижность воздуха. Не учтен такой важный параметр, как газовый состав воздуха.

Газовый состав воздуха является предметом регулирования в системах кондиционирования. К тому же, нельзя назвать комфортными условия микроклимата, которые удовлетворяют уравнению Фангера, но не удовлетворяют требованиям по газовому составу воздуха. Все это говорит о том, что первое условие комфортности должно рассматриваться как условие энергетического и материального баланса человека и окружающей среды. Причем материальный баланс с точки зрения СКВ необходимо рассматривать как баланс воздушный.

(1)

Где: M - энергия метаболизма организма, Вт; h - коэффициент полезного действия механической работы; Qокр - теплоотдача организма в окружающую среду, Вт.

(2)

Где: М - уровень теплопродукции; А - площадь поверхности тела; h - коэффициент полезной деятельности механической работы мышц; ts - средневзвешенная температура кожи; pa - парциальное давление водяных паров в окружающем воздухе; E - теплопотери вследствие испарения пота; Icl - термическое сопротивление от кожи до наружной поверхности одежды; fcl - отношение поверхности одетого человека к поверхности того же обнаженного человека; ta - температура воздуха; tmrt - средняя радиационная температура; h c - коэффициент конвективного переноса тепла; tcl - средняя температура наружной поверхности одетого человека.

(3)

Объемная концентрация углекислого газа в выдыхаемом воздухе:

(4)

Где: c1co2 - объемная концентрация углекислого газа в наружном воздухе, %; c1o2 - объемная концентрация кислорода в наружном воздухе, %; c2o2 - объемная концентрация кислорода в выдыхаемом воздухе, %.

Величина активности определяется следующими пределами

(5)

Для легкой работы: 1<A<2

Для работы средней тяжести: 2<A<4

Для тяжелой работы: 4<A<8

(6)

Где: Lнар - необходимое количество наружного воздуха, м3/ч; М - масса выделяющихся вредных веществ при дыхании, г/ч; сПДК - предельно допустимая концентрация выделяющегося вредного вещества в воздухе рабочей зоны, г/м3; снар - концентрация вредного вещества в наружном воздухе, г/м3.

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12) , подаваемого в зону дыхания одного "среднего" человека, равен (12).

При сравнении полученной величины 1,2 м3/ч с нормативной величиной 20 м3/ч или 60 м3/ч наружного воздуха при ассимилирующей вентиляции, становятся очевидными, в частности, преимущества индивидуальной вентиляции, как с позиции энергосбережения, так и с позиции качества подаваемого воздуха.

Второе условие комфортности определяет допустимые температуры нагретых и охлажденных поверхностей при нахождении человека в непосредственной близости от них.

С математической точки зрения, второе условие комфортности определяет границы изменения переменных, входящих в первое условие комфортности. Действительно, не все сочетания параметров окружающего воздуха, удовлетворяющих первому условию комфортности, являются комфортными для человека. Например, можно подобрать температуру внутреннего воздуха и радиационную температуру помещения, при которых организм человека будет находиться в тепловом балансе с окружающей средой, но большие значения радиационной температуры будут вызывать дискомфорт и перегрев отдельных участков тела.

Не вдаваясь в особенности изменения предельных значений, можно выделить следующие границы параметров первого условия комфортности (одежда от 0,5 до 1,0 Clo; легкая работа; масса человека от 40 до 110 кг):

  1. Температура внутреннего воздуха: 14°С-27°С.
  2. Относительная влажность внутреннего воздуха: 30%-70%.
  3. Скорость движения воздуха: 0 м/с - 0,6 м/с.
  4. Расход воздуха на 1 человека: 0,2 м3/ч - 0,6 м3/ч.

На комфортную для организма температуру внутреннего воздуха влияют тип одежды и величина метаболизма (7).

Величина метаболизма человека зависит от многих факторов: активности, массы, роста, питания, возраста и так далее. Поэтому определение значения этой величины для конкретного человека с медицинской точки зрения невозможно. Так же невозможно заранее определить, какой тип одежды выберет человек, какой у него будет рост, вес и фактор конструкции. Следовательно, при проектировании систем кондиционирования определить комфортную температуру для конкретного человека невозможно. Но, согласно первому условию комфортности, такая температура существует. Согласно второму условию комфортности, такая температура лежит в определенных пределах. Поэтому, выбрав в качестве расчетной любую температуру внутреннего воздуха в помещении (например, 22°С), можно установить систему кондиционирования, которая будет ее поддерживать. Микроклимат в этом помещении будет удовлетворять перво му и второму условию комфортности. Но если метаболизм человека будет по каким-либо причинам отличаться от расчетного, или он наденет костюм с большей плотностью, или его физическая активность будет несколько больше, чем обычно, или его коэффициент конструкции будет отличаться от стандартного - все это приведет к тому, что температура в помещении не будет комфортной. Несмотря на выполнение первого и второго условий комфортности.

Поэтому для удовлетворения потребностей конкретного человека, чтобы индивидуальный уровень теплопродукции соответствовал теплопотерям в окружающую среду, температура внутреннего воздуха должна устанавливаться индивидуально.

Отсюда третье условие комфортности : Параметры внутреннего микроклимата должны иметь возможность индивидуального регулирования с целью соответствия субъективным ощущением комфорта потребителя.

Основным параметром, влияющим на теплообмен человека с окружающей средой, является температура внутреннего воздуха. Поэтому в первую очередь возможностью регулирования должен обладать данный параметр внутреннего микроклимата (что и реализуется в современных системах кондиционирования).

Категория свободы занимает одно из ведущих мест среди других общечеловеческих ценностей, поэтому возможность индивидуально менять параметры микроклимата поднимает системы кондиционирования на качественно новый уровень, делает человека более свободным и независимым.

Основные выводы.

  1. Первое условие комфортности должно рассматриваться как условие энергетического и воздушного баланса человека и окружающей среды.
  2. Требуемый расход наружного воздуха, подаваемого в помещение, в значительной степени зависит от коэффициента воздухообмена.
  3. Местная система приточной вентиляции, подающая воздух непосредственно в зону дыхания людей, позволяет улучшить качество вдыхаемого воздуха и значительно уменьшить общеобменную вентиляцию.
  4. Комфортные параметры внутреннего микроклимата зависят от индивидуальных характеристик и требований людей.
  5. Параметры внутреннего микроклимата должны иметь возможность индивидуального регулирования с целью соответствия субъективным ощущением комфорта потребителя.

Брух С.В., Пермский государственный технический университет