эмблемка

современные
инженерные системы
Минск, Минский район


МТС (033) 660-55-50
VEL (029) 113-70-57
УНП 691803803

Наши объекты:

Боровляны частный дом дом в классическом стиле коттедж коттедж частный дом загородный дом просторный дом усадьба Самохваловичи одноэтажный дом двухэтажный дом небольшой дом кирпичный коттедж пригород Минска Каркасный загородный дом на винтовых сваях с мансардой Дом с конденсационным котлом Система отопления на твердотопливном котле с теплоаккумулятором Отопление водяным теплым полом от электрокотла Без фото

Перепечатка статей, равно как и их отдельных частей, запрещена. Мы хотим оставить за собой право на эксклюзивное размещение данного материала на нашем сайте home-engineering.net. Здесь мы делимся знаниями и опытом, наработанными нашей командой за годы работы в сфере проектирования и монтажа инженерных систем.


Тепловой комфорт
Температурные рецепторы человека
Структура теплопотерь человека
Действующая температура
Средняя радиационная температура
Относительная влажность и скорость движения воздуха


Тепловой комфорт наверх


Начнем с определения. Тепловой комфорт — это состояние сознания человека, выражающее удовлетворенность его тепловым окружением. Опять двадцать пять! Это чисто психофизиологическое понятие. Это означает, что тепловой комфорт в доме — это не кондиционер, не батареи, не теплый пол и даже не котел на магистральном природном газе, как бы ни хотели производители и продавцы заставить нас в это поверить. Это даже не система отопления в целом, как могли бы сказать вам мы.

Тепловой комфорт — лишь одна из составляющих комплексного понятия качества внутренней среды дома, одна из его характеристик. Ни в коем разе понятие температурного комфорта не может полностью заменить собой определение комфортной среды для человека! Тем не менее, оно может быть определено в объективных величинах (например, градусы Цельсия и т.п.), с достаточной долей вероятности устраивающих 80..90% населения. Список физических характеристик, влияющих на состояние теплового комфорта человека, состоит из двух частей: факторов среды и персональных факторов.

Факторы среды:

  1. Температура воздуха (температура сухого термометра, dry bulb temperature, Tdb, DBT);
  2. Средняя радиационная температура ограждающих конструкций (mean radiant temperature, Tmr, MRT);
  3. Относительная влажность воздуха (relative humidity);
  4. Скорость движения воздуха (air velocity).

Персональные факторы:

  1. Скорость метаболизма, обмена веществ (met rate, 1 met=58Вт/м²);
  2. Одежда на человеке (clo value).

Между разными людьми существуют значительные вариации в физиологическом и психологическом отношении к тепловому комфорту, что делает трудным удовлетворение всех в одинаковой мере. Параметры окружения, необходимые для ощущения комфорта, не одинаковы для всех людей. Из опыта известно, что человеку может быть прохладно или даже холодно, в то время как термометр на стене или термостат системы отопления говорит об обратном. Женщины, как правило, более теплолюбивы, чем мужчины (хотя бы из-за разной скорости обмена веществ и желания первых одеть что-нибудь обтягивающее).

Наше тело — это не просто термометр это сферический термометр в вакууме. Более точно, предположили ученые, наше тело воспринимает окружающую тепловую обстановку посредством такой величины как действующая температура, которая приближенно (см. далее) равна среднеарифметическому между температурой воздуха и средней радиационной температурой окружающих элементов здания (стен, потолка, пола, поверхности окон, поверхности радиаторов и т.д.). Это происходит потому, что существуют несколько физических механизмов взаимодействия (передачи тепла) нашего тела с окружающей средой.


Температурные рецепторы человека наверх


Наше тело покрыто тысячами рецепторов, которые ощущают температуру и давление, и которые неравномерно распределены по его поверхности. Более 20% этих рецепторов сконцентрированы на нашей голове. Мамы знали, что делали, когда кричали с балкона "Одень шапку!!".

диаграмма распределения тепловых рецепторов на теле

Распределение тепловых рецепторов на поверхности тела человека. Более 20% этих рецепторов находятся на голове.


Структура теплопотерь человека наверх


Наше тело производит больше тепла, чем ему нужно, особенно когда мы заняты чем-то более активным, чем чтением этой статьи. Около 100Вт тепловой энергии (1met×1,8м² поверхности шкуры кожи) тело спокойного мужчины высвобождает в окружающее его пространство путем излучения, конвекции, прямой теплопередачи, испарения и дыхания — см. рис. ниже. Для женщин эта цифра в среднем — 85Вт, для детей — 75Вт.

потери тепла телом человека

Из всех механизмов потери тепла телом человека — конвекции, теплопроводности, излучения, испарения и дыхания — львиную долю (более 60%) составляет потеря тепла излучением от тела в окружающее нас пространство.

Естественно, что тип деятельности человека и окружающая обстановка влияет на долю теплоты, теряемую человеком тем или иным способом. Но терять тепло для человека — это нормально, важно сохранять баланс между выработкой тепла в организме и скоростью его отдачи в окружающее пространство. Тут и до теплового комфорта рукой подать.

Видно, что львиную долю в термобалансе нашего тела с окружающей средой составляет именно ИК-излучение (62%). И оно же в большей мере ответственно за наше ощущение теплового комфорта. Интенсивность же теплопередачи ИК-излучением от более нагретого (человек) к менее нагретому (здание) пропорциональна разности температур между этими телами (более точно — четвертой степени разности температур). А значит, фактором окружающей среды, регулирующим потерю человеком тепла методом ИК-излучения, будет средняя радиационная температура ограждающих конструкций, в направлении которых, собственно, и излучает тело. Чем ниже температура окружающих человека поверхностей, тем выше потеря тепла от тела излучением, тем ниже комфорт залипшего в смартфоне человека (у которого весь метаболизм идет на шевеление одним пальцем). И наоборот.

Средняя радиационная температура ограждающих конструкций измеряется таким интересным прибором, как шаровой термометр. Его черная сфера улавливает тепловое излучение, идущее от всех окружающих конструкций и элементов здания, датчик внутри замеряет результирующую температуру. Более подробно о средней радиационной температуре см. далее.

сферический термометр

Шаровой (сферический) термометр для измерения средней радиационной температуры окружающих поверхностей.

Следующим по важности механизмом будет группа факторов — испарение, дыхание и конвекция — интенсивность которых напрямую зависит от температуры воздуха в помещении (температура сухого термометра), относительной влажности и скорости движения воздуха. Чем выше температура и влажность воздуха и чем ниже скорость движения воздуха, тем меньше потеря теплоты телом человека испарением, дыханием и конвекцией. И наоборот.

Интересующимся может быть полезным узнать более точное перераспределение теплопотерь излучением и испарением в зависимости от активности человека и различной скорости движения окружающего воздуха (2001 ASHRAE Fundamentals Handbook).

теплопотери и скорость испарения влаги людьми при различном состоянии активности

Типичные значения теплопотерь и скорости испарения влаги людьми, находящимися в различных состояниях. Интересна разница в теплопотерях тела излучением — ок.50..60% и ок.20..30% — при низкой и высокой скорости движения окружающего воздуха соответственно (правая колонка). BTU (British thermal unit) — единица измерения энергии в странах, где люди ходят на головахв США, Великобритании и др. 1 BTU/h = 0,3 Вт (нармальнага чылавечыскага вата).

Измерение температуры воздуха (температура сухого термометра), относительной влажности воздуха осуществляется с использованием обычного термометра и гигрометра. Также сейчас доступны и электронные метеостанции с цифровым измерением температуры, влажности, давления воздуха. Скорость движения воздуха в диапазоне около 0,1 м/с измеряется такой неведомой зверушкой, как кататермометр.

термометр, психрометрический гигрометр и кататермометр

Приборы для измерения температуры, относительной влажности и малой скорости движения воздуха: термометр, психрометрический гигрометр и кататермометр. Картинка и название кататермометра вставлена в статью только лишь для придания ей научного вида;)

Из-за того, что существует несколько механизмов взаимодействия нашего тела с окружающим пространством (излучение, конвекция, теплопередача, испарение, дыхание), и чтобы их как-то объединить и учесть вместе, и было предложено понятие действующей температуры.


Действующая температура наверх


Действующая температура (operative temperature, dry resultant temperature, resultant temperature, equivalent temperature, effective temperature) введена для учета совместной работы всех механизмов теплового взаимодействия тела человека с окружающей обстановкой.

Действующая температура — это однородная температура абсолютно черной сферы, находясь внутри которой, человек бы обменялся с этой сферой тем же самым количество тепла путем излучения и конвекции, как и в фактической обстановке данного помещения. То есть человек будет себя ощущать одинаково с точки зрения теплового комфорта как в реальном помещении с разными температурами у стен, потолка, пола, окон и воздуха, так и в гипотетической сферической комнате в вакууме с абсолютно черными стенами, равномерно прогретыми до температуры, равной действующей температуре для данного случая.

Математически, действующая температура — это средневзвешенное (согласно относительному вкладу каждого из параметров) значение радиационной температуры окружающих поверхностей и температуры воздуха (температуры сухого термометра).

To = (hr ⋅ Tmr + hc ⋅ Tdb) / (hr + hc)

Умные люди (с заботой о нас) покумекали, посовещались и постановили следующее. Для человека в обычной домашней одежде (1 clo), занятого малоподвижной активностью (у которого обмен веществ находится в диапазоне 1,0..1,3 met), находящегося не под прямыми солнечными лучами, при скорости движения окружающего воздуха до 0,1 м/с коэффициенты радиационной и конвективной составляющей следует приравнять между собой. Поэтому возникла упрощенная формула:

To = (Tmr + Tdb) / 2

Во многих ситуациях, когда скорость воздуха низка, а температура воздуха (сухого термометра) и средняя радиационная температура могут быть очень близки, значение обычной температуры воздуха (сухого термометра) может быть разумным и точным индикатором теплового комфорта. Однако, в помещениях, где поверхности могут подвергаться охлаждению или нагреву, где находятся значительные объемы термомассы, или присутствует солнечное излучение (много остекления), температура воздуха и радиационная температура могут существенно отличаться. Тогда становится необходимым учитывать и радиационную температуру окружающих поверхностей при оценке теплового комфорта.

Например, все более-менее серьезные графики и таблицы, описывающие зоны теплового комфорта человека оперируют именно действующей температурой, а не просто температурой воздуха, как это могло показаться с первого взгляда.

часть психометрического графика

Часть психрометрического графика (I-D диаграмма) с зонами комфорта для зимы и лета. Здесь температура на шкале внизу — именно действующая температура To=(MRT+DBT)/2.

Из определения действующей температуры можно сделать следующий важный вывод. Одному и тому же значению действующей температуры (а значит и одинаковому уровню теплового комфорта человека) соответствуют различные сочетания пары температур: воздуха и средней радиационной температуры ограждающих поверхностей.
Например, человеку будет одинаково комфортно при следующих значениях:
Температура воздуха 21°С и средняя радиационная т-ра поверхностей 21°С;
Температура воздуха 20°С и средняя радиационная т-ра поверхностей 22°С;
Температура воздуха 19°С и средняя радиационная т-ра поверхностей 23°С;
Температура воздуха 18°С и средняя радиационная т-ра поверхностей 24°С и т.д.
Во всех этих случаях действующая температура равна 21°С.

действующие температуры

Наклонные линии — действующие температуры (20,21 и 22°С) одинакового уровня комфорта, получаемые при различных комбинациях средней радиационной температуры ограждающих поверхностей и температуры воздуха в помещении.

В общем, кроме обычной температуры воздуха в комнате, большое значение имеет и такой параметр, как средняя радиационная температура ограждающих конструкций здания. Также напомним, что снижение температуры воздуха в помещении при одновременном повышении средней радиационной температуры ограждающих поверхностей дает возможность для снижения энергетических затрат на обогрев помещения, т.к. при этом снижается разность температур воздуха между улицей и помещением. В помещениях с равномерной и высокой температурой наружных стен, остекления и т.п. становится возможно снизить температуру воздуха на 1-2°С без потери ощущения комфорта. Экономия на отопление такого помещения в среднем за сезон составит порядка 5..10%.


Средняя радиационная температура (СРТ). наверх


Человек не воспринимает теплопотери здания, в котором живет или в которое зашел в гости. Он воспринимает потери тепла своим телом в окружающее его пространство, в само здание. Поэтому важно понимать тонкий механизм взаимодействия посредством инфракрасного излучения нашего тела с окружающими элементами здания, которые характеризуются различными температурами своих поверхностей. Средняя радиационная температура — один из главнейших элементов в определении теплового комфорта. А тепловой комфорт, в свою очередь, является неотъемлемой характеристикой качества всей внутренней среды здания.

ИК-излучение от различных поверхностей помещения

ИК-излучение от различных поверхностей помещения (пол, стены, потолок, окна, двери), имеющих разную температуру нагрева, определяет значение средней радиационной температуры в данном помещении.

Средняя радиационная температура ограждающих конструкций здания — это способ объективного выражения влияния на комфорт жильца окружающих его внутренних поверхностей (стен, пола, потолка, окон и т.п.). Ее можно определить разными способами. В наиболее простой и не совсем уж точной форме (см. далее) средняя радиационная температура ограждающих поверхностей помещения определяется как средневзвешенная по площади температура всех поверхностей:

Tmr = T1⋅A1 + T2⋅A2 + …+ Tn⋅An / (A1 + A2 + …+ An)

Tmr — средняя радиационная температура,
Ti — Температура поверхности i (измеренная или расчитанная), °C
Ai — площадь поверхности i.

Теперь словами. Чем больше в помещении площадь какой-либо поверхности с определенной температурой (например, пола с подогревом), тем больший вклад в значение средней радиационной температуры и дает данная поверхность, тем ближе к ее температуре и будет значение СРТ помещения.

Этот метод оценки СРТ не очень точен, т.к. он не учитывает расположения и наклона нагретых поверхностей относительно человека, ни расстояний до них. Но такие детали в первом приближении и не важны, т.к. в принципе значение СРТ в конкретном помещении и не может быть постоянным: человек же живой и может постоянно двигаться, изменяя свое положение и расстояние до различных поверхностей; геометрия помещения может играть важную роль (эффекты затенения одних поверхностей другими); да и сама ИК-обстановка в помещении может меняться (включились/выключились нагревательные приборы, выглянуло/спряталось солнце и т.п.)

Более практичным, точным и быстрым методом определения СРТ конкретного помещения будет все же измерение, например, с помощью шарового термометра или такого более универсального прибора (Innova, США):

innova

Этот чудо-прибор (из описания) кроме СРТ измеряет также температуру сухого термометра (температуру воздуха), относительную влажность, скорость движения воздуха и даже радиационную асимметрию. Но чего мечтать, таких приборов в Мозамбике, скорее всего, нет и не будет.

В здании с холодными (наружными) стенами, полами/потолком, не очень теплыми окнами (низкая температура поверхности остекления) будет происходить слишком интенсивная потеря тепла телом человека путем инфракрасного излучения — отсюда ощущение теплового дискомфорта. Также неприятный эффект будет ощущаться при слишком больших вариациях температуры ограждающих конструкций в различных частях помещения — это т.н. радиационная асимметрия. Скажем, в помещении есть хорошо утепленные наружные стены, пол и потолок с температурой внутренней поверхности равной +21°С (супер). Но вот температура поверхности немаленького окна (например, с одиночным стеклопакетом без энергосберегающего покрытия) составляет всего +14°С. Для человека в обычной домашней одежде поверхность этого окна будет казаться некомфортно холодной: повернувшись к окну спиной/боком или лицом, будет ощущаться неприятный холод, как бы исходящий от окна. На самом деле просто наши тепловые рецепторы на спине/боку или лице будут ощущать повышенную теплоотдачу в сторону этого слишком холодного окна.

допустимое отклонение температур наглядно

Допустимые отклонения температур внутренних поверхностей ограждающих конструкций здания согласно отечественным стандартам. Для современных энергоэффективных зданий в Европе эти отклонения ниже.

Вот почему для обеспечения комфорта (а потом уже для энергосбережения) становиться важным строительство здания, в котором температуры внутренних поверхностей ограждающих конструкций, во-первых, как можно ближе к температуре внутреннего воздуха, а, во-вторых, неравномерность этой температуры в различных частях здания минимальна (нет холодных углов из-за т.н. "мостиков холода"). Как сказал один человек: "Многие еще до сих пор не понимают, что результат проектирования, как архитекторов, так и инженеров должен быть нацелен на собственно самого жильца, а не на здание".

Правильно спроектированное, качественно построенное и утепленное здание будет иметь более высокие температуры внутренних поверхностей ограждающих конструкций (стен, пола, потолка, окон и т.п.) зимой и более низкие температуры летом, если сравнивать с менее энергоэффективным зданием. Из-за более высокого качества выполнения оболочки (коробки) энергоэффективных зданий с высокими значениями теплоизоляции всех элементов конструкции здания, отсутствием мостиков холода и неплотностей, в них будет требоваться меньшие тепловые мощности на отопление зимой, мощности охлаждения для кондиционирования летом. Это приводит к улучшению комфорта и снижению затрат на эксплуатацию здания.

Наше тело постоянно производит тепло. Поэтому, по сути, необходимо лишь добавить (при отоплении) или убрать (при охлаждении) некоторое количество теплоты в/из помещения, чтобы поддерживать необходимый баланс между действующей температурой в помещении и человеком. И это может быть достигнуто эффективной комбинацией грамотной архитектуры здания и низкотемпературного отопления зимой (высокотемпературного охлаждения летом).

При достаточно низких удельных теплопотерях (порядка 40 Вт/м²) качественно построенного здания, для отопления требуется температура поверхности теплого пола всего около 25°С. Это даже ниже, чем температура поверхности кожи человека, но при этом в помещении будет очень комфортно. А средняя температура теплоносителя в системе отопления здания, необходимая для получения такой температуры поверхности теплого пола, будет порядка 30°С. Это открывает широкие возможности по использованию различных источников тепла (в т.ч. альтернативных), снижает затраты на выработку, накопление (аккумуляцию) и передачу тепла.


Относительная влажность и скорость движения воздуха наверх


Почему относительная влажность и скорость движения воздуха влияют на ощущение комфорта? Это связано с одной из составляющих теплообмена человека с окружающей средой — испарением. Несмотря на то, что испарение берет на себя лишь около 15% общей доли теплообмена у человека в спокойном состоянии, тем не менее, недостаток или избыток испарения с поверхности тела может существенно сказаться на ощущении комфорта.

При малой относительной влажности окружающего воздуха (до 30%) и/или высокой скорости движения окружающего воздуха (выше 0,15 м/с) происходит гораздо более интенсивное испарение влаги с поверхности кожи человека (для аналогии: мокрое белье быстро сохнет в сухих помещениях). Это приводит к возрастанию теплопотерь от поверхности тела человека, смещению его теплового баланса и некомфортному состоянию. Для компенсации этого некомфортного состояния организм имеет несколько путей. Например, сократить потери тепла излучением на соответствующую величину (решается добавлением одежды, увеличиваем clo value). Или ускорить выработку тепла в организме (увеличение met rate) путем "поработать", "покушать" или и то, и другое разом.

При большой относительной влажности воздуха помещения (более 80%) испарение влаги с поверхности кожи человека, наоборот, затруднено (мал градиент концентрации молекул воды). Это приводит к уменьшению доли испарения (меньше 15%) в общем энергобалансе системы человек-среда. Отсюда либо перегрев человека (и снова чувство дискомфорта), либо необходимость увеличивать другие составляющие передачи тепла наружу. Например, возникает желание раздеться (уменьшить clo value), чтобы интенсифицировать теплопотери от тела ИК-излучением, или включить вентилятор (увеличить конвективные потери тепла от тела) и т.п.

Существует график (часть ID-диаграммы состояния воздуха), где можно наглядно увидеть зоны комфорта для сидящего человека для разных времен года в зависимости от таких параметров окружающей среды как температура и влажность. Эта диаграмма позволяет визуализировать влияние влажности и температуры на ощущение комфорта. В ней также учтены возможные вариации в количестве одежды на человеке. Видно, что существует ограниченная область комфорта при различных сочетаниях температуры и влажности окружающего воздуха. Следует напомнить, что значение температуры в графике соответствует действующей температуре, равной среднеарифметическому между средней радиационной температурой и температурой воздуха (температурой сухого термометра).

психометрический график

Психрометрический график(I-D диаграмма) с зонами зимнего и летнего комфорта в зависимости от относительной влажности и температуры. Здесь температура на шкале внизу — именно действующая температура To=(MRT+DBT)/2.

Из графика видно, что если бы и существовала одна универсальная точка теплового комфорта для зимы и лета, то ее можно было бы охарактеризовать действующей температурой около 23°С (75°F).

Итак, стройте хорошие дома!
Расставляйте приоритеты.

Третья статья цикла. Качество воздуха в доме (Indoor Air Quality).
Первая статья цикла. Понятие комфорта жилища (Indoor Environmental Quality).


Если вам необходимо выполнить работы по расчету и монтажу инженерных систем: отопления, водоснабжения, канализации, электрики, вентиляции и встроенного пылесоса, вы можете обратиться к нам в разделе КОНТАКТЫ. Мы проводим работы по монтажу инженерных систем в Минске и Минском районе.