Физика среды
В разделе «физика среды» рассматриваются физические процессы, которые протекают в помещениях под воздействием климатических факторов: солнечной радиации, температуры и влажности воздуха, ветра и регулирование этих процессов проектными средствами. В разделе рассматриваются: формирование микроклимата и воздухообмена в помещениях зданий, т.е. те разделы классического курса «Строительная физика», которые связаны с природно-климатическими факторами. 2
Одним из основных условий нормальной жизнедеятельности человека является обеспечение в помещениях зданий с анитарно-гигиенических и комфортных параметров. Параметры микроклимата помещений зависят от теплофизических особенностей технологического процесса, климата, сезона года, условий вентиляции и отопления. Микроклимат это комплекс физических факторов внутренней среды, оказывающий влияние на тепловой обмен организма. Сочетание параметров микроклимата при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивает нормальное тепловое состояние организма и ощущение комфорта не менее чем у 80% присутствующих в помещении называется оптимальными параметрами микроклимата помещений. 3
Многие исследователи приходят к выводу, что «состояние комфорта – это субъективное чувство, возникающее у людей под влиянием комплексных воздействий». Можно рассматривать разные стороны этого понятия: физиологический комфорт, психологический комфорт, эмоциональный, эстетический, тепловой и т.д. К показателям микроклимата помещений относятся: - температура внутреннего воздуха; - отностельная и абсолютная влажность воздуха; - подвижность воздуха; - температура поверхностей ограждающих конструкций. А также некоторые их производные: градиент температуры воздуха по вертикали и горизонтали помещения, интенсивность теплового излучения от внутренних поверхностей. КОМФОРТЫЕ УСЛОВИЯ И МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЙ 4
Закономерности теплообмена человека с окружающей средой исходят из того, что температура тела человека (35-37°С) всегда выше температуры окружающей среды (16-22°С), в связи с чем человек постоянно отдает тепло. Теплообмен человека с окружающей средой идет четырьмя путями: конвекцией, кондукцией, излучением (радиацией) и испарением. В зависимости от условий, изменяется теплоотдача человека по тому или иному механизму, однако в условиях, близких к оптимальным, человек отдает тепло : - конвекцией и кондукцией – 15-33 %; - радиацией (излучением) – 45-60 %; - испарением – 20-30 %. Механизм теплоотдачи человека предопределяет требования к пара- метрам микроклимата, к его оптималь - ным (или комфортным) значениям. ТЕПЛООБМЕН ЧЕЛОВЕКА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ 5
КОНВЕКЦИЯ Конвекция – это передача тепла от тела человека воздуху за счет разности температур. Поэтому температура воздуха помещения - - считается первым критерием среды. 6
КОНДУКЦИЯ Кондукция – это способ передачи тепла при контакте двух тел Чаще всего человек ощущает это при нахождении на «теплом» или «холодном» полу. Полы из каменных материалов, керамических и даже линолеума считаются холодными, так как, в силу высокого коэффициента теплоусвоения этих материалов, усиливается передача тепла от человека к полу кондукцией. В южных странах эти свойства материалов (и вид теплопередачи) используют для снижения перегрева и повышения комфортности. Для северных широт ряд исследователей рекомендуют вводить дополнительный показатель микроклимата помещений – температуру пола. 7
ИЗЛУЧЕНИЕ Излучение, или радиация – это лучистая передача тепла (перенос энергии в виде электромагнитных волн) от более нагретого тела к менее нагретому телу. В умеренном и холодном климате идет передача тепла от человека к ограждениям и тем интенсивнее, чем ниже температура поверхности ограждений. Человек начинает ощущать дискомфорт через 15-30 мин, если находится вблизи окна, хотя через окно и «не дует», а температура воздуха в помещении в пределах нормы. Таким образом, данный вид теплообмена, а это около половины теплопотерь человека, выдвигает требования к контролю температуры внутренних поверхностей ограждений. Изменение температуры всех поверхностей помещения на 1°С равноценно изменению температуры воздуха в этом помещении на 4-5°С, то есть воспринимается как очень значительное. 8
ИСПАРЕНИЕ Испарение – это процесс отдачи тепла человеком за счет испарения влаги с поверхности кожи и при дыхании (скрытая форма теплоотдачи). Интенсивность теплоотдачи этим способом зависит от сочетания температуры воздуха в помещении и его относительной влажности. При относительно высокой температуре и сухом воздухе испарение влаги протекает спокойно и человек чувствует себя комфортно. При увеличении влажности воздуха потоотделение затрудняется, возникает ощущение дискомфорта. По этой причине относительная влажность воздуха входит в параметры микроклимата. При конвективном теплообмене и испарении большую роль играет подвижность воздуха. Низкая подвижность воздуха затормаживает сосудистые реакции организма и затрудняет теплообмен человека с окружающей средой. Высокая подвижность воздуха способствует переохлаждению, возникает эффект « сквозняков». Следует заметить, что движение воздуха в помещении находится во власти архитектора в большей степени, чем специалиста по вентиляции. Именно архитектурные решения обеспечивают движение воздуха по всему помещению, направляя потоки воздуха к человеку или от него по всей рабочей зоне. 9
Для жилища важно прежде всего понятие о тепловом комфорте. Тепловой комфорт – такое физиологическое состояние человека, при котором центральная нервная система получает наименьшее количество внешних тепловых раздражителей, а терморегуляторная система организма находится в состоянии наименьшего напряжения. Совокупность метеорологических условий в помещении, определяющих тепловое состояние человека, условно называют микроклиматом помещений. В более широком аспекте к микроклимату нередко относят также солнечный, световой и воздушный режимы помещений, шум и некоторые другие факторы. Микроклимат в помещении формируется под влиянием климата, тепловыделений организма человека и бытовых процессов, а также от планировочных решений здания, теплотехнических свойств ограждающих конструкций и инженерного оборудования. Жители северных или южных регионов в результате естественной эволюции акклиматизировались к метеорологическим условиям своих регионов. В силу этого, значения параметров микроклимата, определяющих комфортные условия климата, для «северян» и «южан» будут различны. 10
Существуют гигиенические обоснования параметров микроклимата в жилье для разных возрастных групп населения и для разного времени суток. Гигиенические требования к параметрам микроклимата в жилых помещениях имеют некоторые интервалы по каждому из параметров. В этих интервалах условия будут оставаться комфортными. 11
На рисунке приведены зоны комфорта для различных сочетаний температуры воздуха с температурой поверхностей стен (а) и с относительной влажностью воздуха (б). Данные этих рисунков подтверждают, что ощущение комфорта сохраняется на некотором интервале значений по каждому параметру микроклимата. То есть ощущение комфорта у человека связано не столько с величиной того или иного параметра микроклимата, сколько с сочетаниями их значений. 12
Оценка степени комфорта в помещении через индекс комфортности, который представляет собой некую условную безразмерную величину. В эмпирической формуле индекс комфортности ( Н ) связан с температурой воздуха в помещении ( ), температурой поверхностей стен в помещении ( ), абсолютной влажностью воздуха ( е ) и скоростью движения воздуха ( ) H=0,24( + )+0,1·е- 0,99(37,8- ) 13 Комфортные условия для г. Казани (II климатический район) лежат в пределах 9,0-10,0. Дискомфорт 1-й степени – 8,0-11,0, а дискомфорт 2-й степени в пределах 7,0-12,0.
В проектной практике для создания комфортных условий в жилых помещениях руководствуются действующими нормативными документами по жилым зданиям « Строительные нормы и правила, СНиП 2.08.01-89* «Жилые здания», 1995г.» «Строительные нормы и правила Российской Федерации, СНиП 31-01-2003 «Здания жилые многоквартирные», 2003г.» и специальными нормативными документами, касающимися параметров микроклимата « ГОСТ 30494-96, Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях », Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы, «СанПиН 2.1.2.1002-00, «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям», 2001г.» 14
ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВОЗДУХООБМЕН В ЗДАНИЯХ Важнейшим параметром качества жилой среды является чистота воздуха, которая обеспечивается воздухообменом обоснованной кратности и движением воздуха по всей рабочей зоне обоснованной скорости. Экологическая наука, занятая контролем и мониторингом чистоты атмосферного воздуха, не уделяет должного внимания воздуху жилых помещений и общественных зданий, в которых человек проводит 70-80% своей жизни. Чистота атмосферного воздуха крупных городов вызывает беспокойство у экологов, тем не менее, врачи рекомендуют чаще открывать форточки и проветривать помещения (этим-то «беспокойным» воздухом!). Питьевая вода и пища подвергаются постоянному санитарно-эпидемиологическому контролю, хотя человек потребляет 2-3 кг этих продуктов в сутки. Потребление воздуха составляет около 25кг в сутки, но этот важнейший третий «ключ человеческой жизни» (по словам Гиппократа) остается без контроля. В таких условиях воздух помещений оказывается в 4-10 раз загрязненнее атмосферного воздуха. Не случайно Всемирная организация охраны окружающей среды (ЕРА) включила воздух закрытых помещений в список пяти наиболее загрязненных точек окружающей среды. 15
ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗДУХООБМЕНА Воздух помещений подвержен различным процессам загрязнений. Прежде всего, биологическое загрязнение, связанное с физиологическими процессами жизнедеятельности человека: дыхание, выделение пота и продуктов его разложения, а также микроорганизмы, клещи и т.п. Большие загрязнения вносятся от работы газовых плит, процесса приготовления пищи, от одежды, ковров. Вредные выделения из строительных материалов, мебели и т.д. Достаточно объективным индикатором качества воздуха помещений служит содержание в воздухе двуоксида углерода (СО 2 ). Общепринятой гигиенической нормой содержания СО 2 в жилых помещениях является 0,1 % (или 1 литр/м 3 ). 16
В атмосферном воздухе крупных городов содержится 0,05% (или 0,5 л/м 3 ) двуокиси углерода (в малых города – 0,4 л/м 3 ). В условиях рационального воздухообмена с наружным воздухом в помещение будет внесено 0,5л/м 3 двуоксида углерода, до допустимой гигиенически безопасной нормы (1л/м3) может быть дополнено еще 0,5 л/м 3. Взрослый человек, выполняющий легкую работу, выдыхает в час около 23л двуоксида углерода. Таким образом, при кратности воздухообмена, равном единице, концентрация СО 2 не будет превышена, если в помещении на 1 человека приходится 23л:0,5л/м 3 =46м 3 объема помещения. Эта величина и составляет санитарную норму объема жилого помещения («воздушный куб») на одного человека. Существовавший в СССР норматив жилой площади (а не объема жилого помещения) в 9 или 12 м 2 на человека имел политическое, а не гигиеническое обоснование. 17
Большое значение для обеспечения воздушного комфорта в помещении имеет уровень положительно и отрицательно заряженных легких аэроионов. Негативное воздействие на организм оказывает как недостаточная, так и избыточная ионизация воздуха. Уменьшение числа легких ионов приводит к потере воздухом освежающих свойств, уменьшению его физиологической и химической активности. Нормативные величины ионизации воздушной среды помещений приведены в СанПиН 2.2.4.1294-03 «Гигиенические требования к аэроионному составу воздуха производственных и общественных помещений» С увеличением загрязнения воздуха увеличивается количество ядер конденсации (пыль, микроорганизмы, пар и т.п.) и увеличивается скорость исчезновения отрицательно заряженных ионов по сравнению с чистым воздухом. Отрицательно заряженные аэроионы иногда называют «витаминами воздуха», много их содержится в хвойном лесу, морском и горном воздухе 18
ВРЕДНЫЕ ВЫДЕЛЕНИЯ В ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ Вредными считаются все выделения в жилом помещении, образующиеся в результате его эксплуатации: газовыделеия, образование пыли из имущества и строительных материалов, влаго - и тепловыделения. 1. Газовыделения в жилых помещениях связаны, прежде всего, с углекислым газом (СО 2 ), который выделяется при дыхании человека и горении газа в плитах. Предельно допустимые концентрации СО 2 в воздухе помещений составляют: в жилых комнатах (при постоянном пребывании людей) – 1,0 л/м 3 ; в общественных зданиях (при периодическом пребывании людей)– 1,25 л/м 3 ; в местах массового пребывания людей (кинотеатры и т.п.) – 2,0л/м 3 ; детские учреждения и больницы – 0,7 л/м 3. Для расчета воздухообмена в помещении по данному параметру можно воспользоваться данными таблицы Возраст и характер выполняемой работы Расход СО 2 объёмный, л/м 3 массовый, г/час Взрослые люди при выполнении работы: - умственной или в состоянии покоя 23 45 - физической легкой 30 60 тяжелой 45 90 Дети до 12 лет 12 24 Открытое горение газа в кухонной плите 700 л. при сгорании 1м 3 19
Серьезную озабоченность вызывает наличие пыли в жилых помещениях. Те пылинки, которые парят в солнечном луче, пробившемся через стекло в помещение, - лишь 1% всех пылевых частиц, находящихся в помещении. Остальные, в силу их микроскопических размеров, невидимы для нас. С каждым вдохом в наш организм попадает от 40000 до 75000 частиц пыли. Увеличение концентрации на 10 мкг в м3 увеличивает число приступов астмы на 10%, количество случаев респираторных заболеваний – на 25%. Для промышленных зданий содержание пыли в воздухе рабочей зоны регламентируется рядом нормативных документов, а для жилых зданий подобные нормативы не установлены. 20
2. Избытки тепла в помещениях приводят к ухудшению комфортных условий и с этой точки зрения являются вредными. Теплоизбытки в помещениях образуются за счет выделения тепла человеком, величина этих тепловыделений зависит от характера работы, выполняемой человеком, и параметров микроклимата. В помещениях возникает избыток тепла за счет работы бытовых приборов, дополнительного нагрева ограждений зданий и проникновения в помещения через световые проемы солнечной радиации. Все эти источники дополнительного тепла поддаются учету и суммируются, образуя суммарную величину теплоизбытов – Q изб. Характер выполняемой работы Тепло, Вт полное явное При 10°С При 35°С При 10°С При 35°С Состояние покоя 160 93 140 12 Физическая работа: - легкая 180 145 150 5 - средней тяжести 215 195 150 5 - тяжелая 290 290 195 10 Открытое сгорание газа в кухонной плите 21
3. Избытки влаги в помещениях связаны с влаговыделениями человека и технологическими процессами (приготовление пищи, стирка ). В последнем случае влаговыделения могут быть настолько значительными, что приведут к резкому увеличению влажности воздуха, вплоть до конденсации влаги на ограждающих конструкциях. Повышение влажности воздуха в помещениях особенно недопустимо в зимнее время, когда внутренние поверхности наружных ограждений (особенно остекленные поверхности) имеют наиболее низкие температуры. Увлажнение наружных ограждений влагой помещений в последние годы приобретает массовый характер в силу использования герметичных " евроокон " и недостаточного воздухообмена и вентиляции. Имеют место случаи разрастания плесени в постоянно увлажняемых местах наружных ограждений. Таким образом, для борьбы с отрицательным воздействием влаги в помещениях необходимо, прежде всего, уметь подсчитать количество влаги, выделяющейся в помещениях в наиболее характерные периоды года – W, г/час. Характер выполняемой работы Влага г/час При 10°С При 35°С Состояние покоя 30 115 Физическая работа: - легкая 40 200 - средней тяжести 70 280 - тяжелая 135 415 Открытое сгорание газа в кухонной плите 1100 г. с 1м 3 газа Количественные данные о выделении в помещениях газа, влаги, пыли и тепла служат основой для расчета необходимых воздухообменов. 22
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМЫХ ВОЗДУХООБМЕНОВ Необходимый воздухообмен требуется определять по каждому из вредных выделений. Наибольшее использование для жилых помещений находят расчеты воздухообмена по предельному содержанию углекислого газа (СО 2 ), по удалению избыточной влаги и тепла : - при выделении углекислого газа (СО2 ):, - при удалении избыточного тепла :, - при удалении избыточной влаги :, В этих формулах:, и - необходимый воздухообмен по углекислому газу, избыткам тепла и влаги, соответственно ( м³/час ); - количество углекислого газа, выделяющегося в помещении в течение 1 часа, л/час; – теплоизбытки в помещении, кДж/час; – влаговыделения в помещении, г/час; и – предельно-допустимая концентрация углекислого газа в жилом помещении, л/м³ и концентрация СО ₂ в приточном воздухе, л/м, соответственно; – массовая удельная теплоемкость воздуха, равная 1кДж( кг°С ); - плотность воздуха, поступающего в помещение, кг/м³; и - температура удаляемого и приточного воздуха, °С; – допустимое содержание влаги в воздухе помещения, г/м³; – влагосодержание наружного воздуха, г/м³. 23
За величину необходимого воздухообмена ( L ) следует принимать наибольшее значение, полученное по приведенным формулам. Итак, для обеспечения чистоты воздуха в жилых помещениях система воздухообмена должна в течение 1 часа заменять в квартире L м 3 воздуха. В нормативной литературе используют как объемы уделяемого воздуха (м 3 ), так и параметр кратности воздухообмена ( n ). Кратность воздухообмена представляет собой отношение величины воздухообмена L к объему помещения (или квартиры) – V. n=L/V В общественных зданиях, особенно в промышленных, требуемый воздухообмен обеспечивается системами механической вентиляции и кондиционирования. В жилых зданиях использование таких систем носит единичный характер. Для массового жилья следует искать системы естественной вентиляции с побуждением за счет гравитационных сил или ветрового напора. 24
ПОБУДИТЕЛИ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОЗДУХООБМЕНА В ЗДАНИЯХ Существуют лишь два условия, при которых можно организовать естественный воздухообмен: 1) за счет теплового напора, образующегося за счет разности плотностей воздуха снаружи ( ) и внутри ( ) помещения; В случае теплового напора избыточное давление прямопропорционально разности ) и высоте столба (расстоянию по вертикали в метрах от оси приточного отверстия до устья вытяжной шахты ). - ). С увеличением разности температур внутреннего ( ) и наружного ( ) воздуха увеличивается разность - ) и возрастает тепловой напор. С увеличением столба, тепловой напор также возрастает. Этим объясняется хорошая проветриваемость нижних этажей многоэтажных жилых зданий и недостаточная – верхних. В силу этого, ряд норм предусматривает установку на вытяжных каналах верхних этажей индивидуальных вытяжных вентиляторов. 25
Ветровой напор определяется по формуле: , где и - аэродинамические коэффициенты с наветренной и заветренной сторон здания ; - скорость ветра, м/с. Полная разность давлений воздуха (или располагаемый напор) по обе стороны ограждения (∆Р) определяется как сумма теплового (∆ Рt ) и ветрового (∆ Рv ) давлений: +. В формулах теплового и ветрового напора присутствуют два климатических параметра: температура наружного воздуха (через ) и скорость ветра. От правильного учета этих параметров зависит точность расчетов давления воздуха и качество воздухообмена. 26
27 Здание – это сложная архитектурно-конструктивная система состоящая из: 1 - элементов ограждающих конструкций; 2 - внутренней среды и 3 - инженерного оборудования. Обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условий осуществляется посредством естественной и механической вентиляции, установкой приборов отопления, увлажнения и кондиционирования воздуха, их регулировкой с учётом климатических параметров. Основные способы профилактических мер заключаются в установке очистителей и ионизаторов воздушных масс. Климатические очищающие комплексы способны избавить от домашней пыли, воздействия едких химических веществ, шерсти домашних животных и пыльцы комнатных растений, устранить неприятные запахи. Сочетание подобных условий способствует повышению работоспособности человека и стимулирует удовлетворенность окружающей средой, положительно сказываясь на производительности труда и самочувствии человека. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
