Москва, г. Москва и Московская область, Россия
аспирант
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 628.87 Микроклимат помещений и условия комфорта
В статье идет речь о лечебно-профилактических, детских образовательных и образовательных учреждениях. Именно в зданиях такого назначения не были повышены сопротивления теплопередаче окон при последнем изменении норм теплозащиты в РФ в 2018 году. В связи с этим важным является проверка выполнения требований нормативных документов к радиационной температуре и асимметрии радиационной температуры на границе обслуживаемой зоны помещений таких зданий. Литературный обзор показал, что в мире этим параметрам уделяется большое внимание. Так как сопротивление теплопередаче у окон значительно меньше, чем у наружных стен, то влияние температуры наружного воздуха на температуру внутренней поверхности окна значительно больше, чем у стен. В предлагаемой статье рассмотрено угловое помещение промежуточного этажа с окнами в наружных стенах, занимающими 35 % от площади наружных ограждающих конструкций, в г. Белгороде. Здание обслуживается воздушным отоплением. Сравнение радиационной температуры и асимметрии радиационной температуры с теми же показателями в рядовой комнате, рассмотренной ранее, показало, что при окнах указанного размера влияние второго окна заметно снижает радиационную температуру и увеличивает значения локальной асимметрии радиационной температуры. При этом в расчетный зимний период на границе обслуживаемой зоны помещения не выполняются не только оптимальные, но и допустимые требования нормативного документа.
шаровой термометр, радиационная температура, локальная асимметрия радиационной температуры, результирующая температура, расчет, расчетные зимние условия
Введение. К рассматриваемым в статье зданиям следует отнести объекты медицинской помощи, среднего и профессионального образования, детские дошкольные образовательные учреждения. Энергосбережение и энергоэффективность зданий не должны достигаться за счет невыполнения требуемых нормами параметров микроклимата [1–4]. В то же время поддержание требуемого микроклимата без перетопов зимой и переохлаждений летом способствует экономии энергии [5–7]. Важную роль в ощущении комфорта в помещениях играет радиационная температура и локальная асимметрия радиационной температуры [8–10], часто оценку комфортности пребывания людей в помещении дают с помощью показателя РМV [11–12], в котором радиационная температура тоже учитывается. В некоторых случаях, как, например, при прерывистом отоплении оценка радиационной температуры играет важнейшую роль, особенно после перерыва в отоплении [13] или в неотапливаемых православных храмах [14, 15]. Необходимо обращать внимание на состояние тепловой радиационной обстановки в помещении особенно при воздушном отоплении, когда в помещении отсутствуют отопительные приборы [16].
Однако на соблюдение норм ГОСТ 30494 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» (далее ГОСТ) к результирующей температуре и локальной асимметрии результирующей температуры помещения «в центре обслуживаемой зоны и на расстоянии 0,5 м от внутренней поверхности наружных стен и стационарных отопительных приборов» внимания не обращается ни при проектировании, ни при экспертизе проектов.
Материалы и методы. Измерение нормируемых показателей в помещениях в соответствии с ГОСТ надлежит выполнять шаровым термометром. В настоящей работе оценка величин радиационной температуры tr и локальной асимметрии радиационной температуры dtr по отношению к шаровому термометру выполнялась расчетным путем. В этом расчете применялась известная из сферической геометрии формула коэффициента облученности с плоской элементарной площадки на сферу известного диаметра [17, 18]. Преимущество расчетного метода состоит в том, что оценочный расчет можно выполнить при любой температуре наружного воздуха. Наибольшие величины асимметрии радиационной температуры и наименьшие значения радиационной температуры наблюдаются при самой низкой температуре наружного воздуха, но погода редко предоставляет расчетные зимние условия для измерения. Поэтому замеренные значения параметров внутренней среды все равно придется пересчитать на расчетные условия.
Отличием результатов расчетного метода от экспериментального является получение радиационной температуры и локальной асимметрии радиационной температуры в каждой точке измерения. Экспериментальный метод измерения определяет результирующую температуру и локальную асимметрию результирующей температуры, так как одновременно сосредотачивает на своей поверхности конвективные тепловые потоки от воздуха и лучистые потоки от поверхностей, обращенных в помещение. К сожалению, для оценки изменения температуры воздуха по объему помещения требуются довольно сложные методы расчета. Поэтому в предлагаемой работе основные усилия направлены на определение радиационной температуры и локальной асимметрии радиационной температуры, существенно зависящих от места расположения по отношению к холодным внутренним поверхностям. При определении результирующей температуры предлагается считать температуру воздуха в помещении одинаковой по объему или рассчитывать ее с помощью инженерных методов определения изменения температуры воздуха в конвективных (например, от отопительных приборов) или приточных (например, вентиляционных или инфильтрационных) струях. В предлагаемой работе температура воздуха принята постоянной по объему, так как в отсутствии источников теплоты конвективные струи отсутствуют. Воздействие вентиляционного воздуха хорошо перемешивает воздух и считается привнесением теплового потока, необходимого для поддержания в помещении результирующей температуры 20 °С, с точностью до 0,001 °С.
Основная часть. ГОСТ нормирует проверку tr и dtr на различной высоте от пола в зависимости от преимущественного положения людей в помещении (сидя или стоя), и для детских дошкольных учреждений рассматриваются свои высоты от пола. Поэтому распределения указанных параметров по помещению изучались на различных высотах. Так как наименьшие значения радиационной температуры и наибольшие значения асимметрии радиационной температуры на границе обслуживаемой зоны всегда наблюдаются напротив середины окна и на высоте, ближайшей к центру окна, то здесь предоставляются планы на расстоянии 1.7 м от пола. Кроме того, интерес представляет распределение tr и dtr по вертикальному сечению помещения по границе обслуживаемой зоны.
Следует отметить, что измерение радиационной температуры ГОСТ рекомендует выполнять полностью зачерненным шаровым термометром. Такой термометр сосредотачивает на своей поверхности радиационные потоки от всех окружающих его поверхностей. Поэтому для фиксации показаний радиационной температуры в каждой точке помещения требуется рассмотреть только один план на каждом интересующем уровне от пола. При этом асимметрия радиационной температуры в каждой точке должна измеряться шаровым термометром, у которого одна половина зачернена, а другая имеет лучеотражающее покрытие. Поэтому замер в каждой точке состоит из двух измерений. Принципиально важно наметить, куда фронтально направлена зачерненная половина измерителя. Разность измеренных температур в точке помещения, определенных шаровым термометром для двух противоположных направлений, представляет собой локальную асимметрию результирующей или радиационной температуры. Поэтому, если локальная асимметрия радиационной температуры определяется в угловом помещении, то при фронтальном направлении зачерненной половины шарового термометра на одно окно, второе окно воздействует на шаровой термометр сбоку. Для фиксации dtr на границе обслуживаемой зоны у второго окна следует перенаправить фронтальную ориентацию измерителя на это окно. Поэтому локальная асимметрия радиационной температуры для углового помещения с окном во второй наружной стене должна представляться на каждом уровне от пола двумя планами.
Для проверки был выбран город Белгород, с расчетной температурой наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92, равной -24 °С. Для большого числа помещений указанных зданий расчетной результирующей принята температура +20 °С. Внутренняя температура поддерживается воздушной системой отопления. Геометрия помещения промежуточных этажей для исследования была принята по реальному проекту. Длина одной наружной стены в угловом помещении равна 6 м, а другой наружной стены 5,4 м. Высота помещения в чистоте принята 3,3 м. В стене длиной 6 м симметрично расположено окно размером 3,8 × 1,8 м при высоте низа окна от пола 1 м. Вторая наружная стена короче первой, но окно в ней тех же размеров, на той же высоте от пола и на том же расстоянии 1,1 м от наружного угла, что и в первой стене. Простенок после окна во второй стене короче, чем в первой и равен 0,5 м. Площадь окон составляет 35 % от общей площади вертикальных наружных ограждений помещении, а сопротивление теплопередаче окна
0,457 м2. °С/Вт.
Интересной оказалась оценка изменения радиационной температуры и локальной асимметрии радиационной температуры при сравнении распределения этих показателей по плану помещения в рядовой и угловой комнате при наличии второго окна во второй наружной стене. Распределение указанных параметров в рядовой комнате рассмотрено ранее в [18].
Рис. 1. Распределение радиационной температуры по плану углового помещения на высоте 1,7 м от пола
а) б)
Рис. 2. Распределение локальной асимметрии радиационной температуры по плану углового помещения
на высоте 1,7 м от пола:
а) с фронтальной ориентацией шарового термометра на стену длиной 6 м,
б) с фронтальной ориентацией шарового термометра на стену длиной 5,4 м
Рисунки 1 и 2 убеждают в том, что на tr и dtr в каждой точке влияние оказывают все окружающие поверхности, но в большей степени оба окна. Обращается внимание на распределение изолиний tr и dtr на планах помещения вблизи окон. На рисунках изолинии проведены до наружных стен и перегородок, а границы обслуживаемой зоны отстоят от них на 0,5 м. Поэтому некоторые значения указанных параметров на планах вблизи стен и перегородок имеют значения выше значений, представленных на поперечных разрезах по границе обслуживаемой зоны.
Расположение изотерм tr практически симметрично относительно биссектрисы наружного угла, образуемого двумя наружными стенами. Расчеты выполнены при одинаковых по сопротивлению теплопередаче и размерах окон в двух стенах угловой комнаты. В угловом помещении на высоте 1,7 м напротив окна на границе обслуживаемой зоны tr на 1,25 °С ниже, чем в рядовом. Интересно и то, что в углу, образуемом перегородками, изотермы радиационной температуры имеют несимметричную форму по отношению к упомянутой биссектрисе наружного угла из-за разной длины простенков наружных стен около внутренних перегородок. Эти простенки в упомянутом месте оказывают значительное влияние на формирование радиационной температуры, хотя и расположены относительно далеко.
В то же время изолинии dtr не симметричны из-за указанной выше необходимости фронтальной ориентации зачерненной половины шарового термометра поочередно на одно и другое окно. На границе обслуживаемой зоны напротив центра окна на высоте 1,7 м от пола dtr на 0,71 оС выше, чем в рядовой комнате. Это превышение возникло из-за одновременного влияния на локальную асимметрию радиационной температуры окон в двух наружных стенах. Если двигаться по биссектрисе наружного угла, то рядом с наружным углом dtr ниже, а tr выше, чем при дальнейшем продвижении. Это объясняется тем, что вначале этого пути радиационная температура формируется в большей степени температурой поверхности простенков около наружного угла, а в дальнейшем температурой внутренней поверхности окон. Около угла, образованного перегородками, просматривается различное влияние простенков разной длины в наружных стенах. Различие проявляется в том, что значения локальной асимметрии радиационной температуры при фронтальной ориентации шарового термометра на короткую стену больше на 0,1 оС, чем при ориентации на длинную наружную стену.
Поперечные разрезы помещения по границе обслуживаемой зоны (рис. 3) с одной стороны тоже свидетельствуют о несимметричности изолиний за счет снижения радиационной температуры и увеличения локальной асимметрии радиационной температуры около бокового окна, а с другой, показывают, что значения на замкнутых эллипсах tr увеличиваются, а dtr уменьшаются при удалении от центра окна.
а) б)
Рис. 3. Распределение радиационной температуры (рис. 3а) и локальной асимметрии радиационной
температуры (рис. 3б) по поперечному сечению помещения на расстоянии 0,5 м от наружной стены длиной 6 м в расчетный зимний период
При этом радиационная температура помещения на границе обслуживаемой зоны остается ниже требуемой величины, так она по всей своей площади ниже результирующей температуры 20 °С больше, чем на 1 °С. Пространство неудовлетворения допустимых условий по dtr на границе обслуживаемой зоны невелико. Зона несоблюдения оптимальных требований занимает практически всю площадь окна.
Несоблюдение допустимых и особенно оптимальных норм радиационной температуры и локальной асимметрии радиационной температуры на взгляд авторов происходит, так как к выбору сопротивления теплопередаче окон нормирование подходит с теми же принципами, что и к нормированию сопротивления теплопередаче стен и покрытий. Принципы нормирования нацелены на экономию энергии на поддержание теплового микроклимата в течение отопительного периода, характеризуемого числом градусосуток отопительного периода (ГСОП). При этом не рассматривается возможность формирования низкой температуры на внутренней поверхности окна в самый холодный расчетный зимний период. А такое положение возможно, так как окно обладает наименьшим из всех наружных ограждающих конструкций сопротивлением теплопередаче. Кроме того, окно имеет наименьшую теплоустойчивость. Поэтому оно не может сохранить более высокую температуру, даже если перед похолоданием держалась относительно теплая погода.
Выводы.
- В угловой комнате с окнами в каждой наружной стене при фронтальной ориентации шарового термометра на одно окно значения радиационной температуры понижаются, а локальной асимметрии радиационной температуры повышаются по сравнению с этими же показателями в помещении с одним окном за счет боковой облученности от второго окна. Длина простенка около окна также оказывает влияние на распределение указанных параметров по объему помещения.
- Предлагается при нормировании требуемого сопротивления теплопередаче окон учитывать не только градусосутки отопительного периода, как это принято сейчас, а и расчетную температуру наружного воздуха для холодного периода года.
1. Karpenko A.V., Petrova I. Yu. The conceptual model of neuro-fuzzy regulation of the microclimate in the room // IFAC-Papers. 2018. Vol. 51, Issue 30. Pp. 636-640. doihttps://doi.org/10.1016/j.ifacol.2018.11.229
2. Noppanuch P., Hussaroa K., Boonyayothinc V., Khedaria J. A Field of the Thermal Comfort in University Buildings in Thailand under Air Condition Room // Energy Procedia. 2015. Vol. 79. Pp. 480-485. doihttps://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.11.522
3. Teitelbaum E., Meggers F. Expanded psychrometric landscapes for radiant cooling and natural ventilation system design and optimization // Energy Procedia. 2017. Vol. 122. Pp. 1129-1134. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.07.436
4. Malz S., Steininger P., Steffens O. On the development of a building insulation using air layers with highly reflective interfaces // Energy and Buildings. 2021. Vol. 236. 110779. doihttps://doi.org/10.1016/j.enbuild.2021.110779
5. Hu W., Liu Q., Niea J., Chang M., Gaob Y., Zhang Q. Analysis on Building Thermal Environment and Energy Consumption for an Apartment in the Different Heating Modes // Procedia Engineering. 2017. Vol. 205. Pp. 2545-2552. doihttps://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.230
6. Bisam Al-hafiz., Musy M., Turki H. A study on the impact of changes in the materials reflection coefficient for achieving sustainable urban design // Procedia environmental sciences. 2017. Vol. 38. Pp. 562-570. doihttps://doi.org/10.1016/j.proenv.2017.03.126
7. Musy M., Malys L., Inard C. Assessment of direct and indirect impacts of vegetation on building comfort: A comparative study of lawns, Green Walls and Green Roofs // Procedia environmental sciences. 2017. Vol. 38. Pp. 603-610. doihttps://doi.org/10.1016/j.proenv.2017.03.134
8. Musy M., Malys L., Morille B., Inard C. The use of SOLENE-microclimat model to assess adaptation strategies at the district scale // Urban climate. 2015. Vol. 14(2). Pp. 213-223. doihttps://doi.org/10.1016/j.uclim.2015.07.004
9. Frolova A., Malyavina E. The influence of the climatic features of the construction area on the level of economical-efficient thermal protection of the office buildings // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 263(2). 04017. doihttps://doi.org/10.1051/e3sconf/202126304017
10. Malyavina E., Zdoronok A., Ozerchuk D. Comparison of heating loads in residential, public and industrial buildings // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 244. 05028. doihttps://doi.org/10.1051/e3sconf/202124405028
11. Сладкова Ю.Н., Смирнов В.В., Зарицкая Е.В. К вопросу о гигиеническом нормировании микроклимата и качестве воздуха офисных помещений // Медицина труда и промышленная экология. 2018. №5. С. 35-39. doihttps://doi.org/10.31089/1026-9428-2018-5-35-39
12. Кочев А.Г., Соколов М.М., Кочева Е.А., Федотов A.A. Практическое использование энергетических ресурсов в православных храмах // Известия вузов. Строительство. 2019. №7. Pp. 78-85. doihttps://doi.org/10.32683/0536-1052-2019-727-7-78-85
13. Рябова Т.В., Сулин А.Б., Санкина Ю.Н. Обоснование и расчет эквивалентных параметров теплового комфорта помещения // Вестник международной академии холода. 2018. №2. С. 78-84. doihttps://doi.org/10.17586/1606-4313-2018-17-2-78-94
14. Санкина Ю.Н., Сулин А.Б., Рябова Т.В., Деими-Даштбаяз М., Лысёв В.И. Обоснование параметра результирующей комфортной температуры // Вестник международной академии холода. 2021. №1. С. 28-33. doi:10.17586|1606-4313.2021-20-1-28-33
15. Дацюк Т.А., Ивлев Ю.П., Пухкал В.А. Результаты моделирования микроклимата жилых помещений при различных типах отопительных приборов // Инженерно-строительный журнал. 2013. №6(41). С. 12-21. doi:https://doi.org/10.5862/MCE.41.2.
16. Старкова Л.Г., Морева Ю.А., Новоселова Ю.Н. Оптимизация микроклимата в православном храме методом моделирования воздушных потоков // Вестник Южноуральского государственного университета. Серия «Строительство и архитектура». 2018. Т. 18, №3. С. 53-59. doi:https://doi.org/10.14529/build180308
17. Malyavina E.G., Frolova A.A., Landyrev S.S. Microclimate Parameters Evaluation for Spaces with Windows of Different Thermal Protection // Light & Engineering. 2021. Vol. 29, No. 5. Pp. 61-67. doi:https://doi.org/10.33383/2021-078
18. Малявина Е.Г., Ландырев С.С. Проверка выполнения требований ГОСТ 30494-2011 к параметрам внутренней среды на границе обслуживаемой зоны // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика (АВОК). 2022. №2. С. 40-45.
