Характер агрессивных воздействий обычно связан не только с присутствием химических веществ, но и с температурно-влажностным состоянием воздушной среды, граничащей с конструкциями, и изменениями этого состояния.
Температура и влажность, их максимальные и минимальные расчетные значения, колебания и изменения в связи с периодами года или особенностями процессов, происходящих в помещениях, являются важнейшими факторами, влияющими на пребывающих в помещении людей, а также на условия эксплуатации ограждающих конструкций.
В процессе проектирования обычно приходится пользоваться обобщенными и осредненными данными о температурно-влажностном состоянии помещений.
При этом, такие данные часто отражают гигиенические требования, относящиеся к нижней рабочей зоне, а микроклимат верхней зоны высоких помещений, существенно отличающийся от этих данных, остается неучтенным при разработке проекта.
В качестве первичных исходных данных для характеристики вероятного температурно-влажностного состояния проектируемых помещений, часто принимают количество тепла и влаги, поступающих во внутренний воздух во время эксплуатации.
Располагая, кроме того, сведениями об интенсивности воздухообмена в различные периоды года в характерных зонах рассматриваемых помещений и установив необходимые теплозащитные свойства ограждений, можно судить о порядке значений температуры и влажности внутреннего воздуха в этил зонах.
Известны различные классификации помещений по интенсивности выделений тепла; обычно такие классификации относятся к производственным помещениям определенной отрасли промышленности.
Для самых общих представлений о градациях выделений тепла в проектируемых зданиях может быть предложена классификация, указанная в табл. III.1.
Классификация эта предусматривает преимущественно производственные здания, поскольку в них выделения тепла дифференцированы и значительны.
Преобладающее большинство гражданских зданий (жилые, административные, школьные и т. д.) относится (в соответствии с этой классификацией) к категории с незначительными выделениями тепла и требует нормального отопления. В холодный период года естественная вентиляция отапливаемых зданий ограничивается в целях экономии топлива и тепла нижним пределом гигиенических норм, определяющим необходимую минимальную кратность воздухообмена1 (обычно не более одного-двух воздухообменов в час).
Кратность естественного воздухообмена в летний период года должна существенно повышаться (в целях обеспечения гигиенических условий пребывания людей в помещениях), для чего при проектировании общественных и производственных зданий требуется обеспечить достаточную площадь створных переплетов: для притока свежего воздуха — в нижней части фасадов наименее облучаемых солнцем; для удаления загрязненного — в верхней части здания. Кроме того, для нешироких, в частности, многоэтажных зданий в теплом климате необходимо сквозное проветривание помещений.
Кратность организованного и управляемого естественного воздухообмена (аэрации) в производственных зданиях с избыточными выделениями тепла (т. е. превышающими расчетные потери тепла) в холодный период года много выше, чем в гражданских зданиях, а в теплый период — достигает нескольких десятков обменов в час.
Повышенная кратность естественной вентиляции таких зданий в холодный период года приводит к большой неравномерности распределения температур в объеме помещений, что является совершенно нежелательным в гигиеническом отношении: неравномерность распределения температур в некоторой мере может быть ограничена целесообразным размещением приточных и вытяжных отверстий.
В любых производственных зданиях, створные переплеты для притока воздуха (в холодный период года) располагают выше рабочей зоны с тем, чтобы ослабить ее охлаждение струями холодного воздуха; а отверстия для вытяжки — в самой высокой части здания.
В помещениях с выделениями влаги приток наружного воздуха в холодный период года резко ограничивается или исключается совершенно (с заменой его подачей подогретого воздуха путем механической вентиляции), в целях предупреждения образования тумана в помещениях и конденсации влаги на поверхностях ограждений.
Наиболее значительные выделения влаги свойственны главным образом производственным и некоторым коммунальным зданиям; классификация выделений влаги приведена в табл. III.2.
Однако данные о градациях выделений тепла и влаги совершенно недостаточны для получения определенных представлений о значениях температуры и влажности воздуха в рассматриваемых помещениях.
Помимо кратности общего воздухообмена, которая может изменяться в существенных пределах, большое влияние на температуру и влажность воздуха имеют расположение в плане и объеме помещения источников выделений тепла и влаги, а также особенности распространения последних по зданию или комплексу смежных неизолированных помещений. При этом конвективное распространение тепла и перенос влаги связаны с неравномерным распределением давлений в отдельных зонах помещений и с естественными токами воздуха, направленными в сторону меньших давлений, но ограниченными в своем распространении поверхностями, ограждающими помещения.
Основными показателями, влияющими на условия пребывания человека в помещении и особенности эксплуатации конструкций, ограждающих это помещение, являются:
- а) средняя температура воздуха в помещении и ее колебания в течение суток (при большой высоте помещения рассматривается отдельно температура рабочей и верхней зоны);
- б) осредненная температура всех поверхностей, ограничивающих помещение;
- в) влажность и гигиеническое состояние воздуха в помещении (или его отдельных зонах).
Некоторое значение имеет скорость движения воздуха в помещении, но гигиенические нормы ограничивают ее в холодный период весьма малыми допустимыми пределами; влияние движущегося воздуха важно в гигиеническом отношении главным образом в летнее время года, при перегреве помещений, не имеющих искусственного (например, радиационного) охлаждения.
Кроме того, для теплового и влажностного состояний ограждающих конструкций и даже сроков их службы важно отсутствие или наличие в помещении агрессивных, в особенности гигроскопических примесей, влияющих на условия конденсации влаги.
Если в зимнее время на поверхности ограждений, обращенной в отапливаемое помещение, не происходит систематической или периодической конденсации влаги, условця эксплуатации конструкций обычно близки к нормальным и сроки их службы достаточно длительны.
Осредненная температура поверхностей, ограничивающих помещение (радиационная температура), имеет важнейшее гигиеническое значение, поскольку превалирующая часть потерь тепла человеческим организмом, происходящая путем излучения (примерно от 45 до 60% суммарных теплопотерь)2, обусловлена более низкой температурой поверхностей помещения.
Осредненная температура этих поверхностей:
где tп и F... — температура и площадь отдельных видов ограждений; ∑F — сумма площадей всех ограждений.
В тех случаях, когда передача тепла в помещение происходит только путем излучения (например, инсоляция через оконные проемы в теплый период года) и воздухообмен в помещении отсутствует, температура воздуха tвз равна осредненной температуре поверхностей, т. е. радиационной температуре:
Если считать, что в холодный период года в помещениях с нормальными условиями теплообмена потери тепла человеческим организмом происходят в равной степени путем излучения и путем конвекции (при соприкосновении поверхности одежды или кожи движущимся воздухом), то температуру помещения можно принять равной полусумме температур tвз и tп.ср. Эту полусумму температур называют иногда результативной температурой помещения:
При понижении радиационной температуры tп.ср температура воздуха tвз должна быть повышена для обеспечения комфортных условий для человека; наоборот, при повышении радиационной температуры, температура воздуха может или должна быть снижена.
Таковы результаты, полученные многими исследователями, как отечественными, так и зарубежными. Характерные в этом отношении данные для условий комфортного пребывания человека в отапливаемом помещении, приведены на рис. III.1.
Эти условия зависят от характера работы, выполняемой человеком, индивидуальных особенностей его организма и местного климата. Поэтому допустимые отклонения от оптимальных данных, приведенных отдельными исследователями, могут достигать ±1,5° и даже более.
На рисунке область таких допустимых отклонений заштрихована.
В наиболее холодные периоды зимы у оконного остекления жилых и общественных зданий температура понижается на несколько градусов, а скорость охлажденных воздушных струй на уровне подоконника составляет около 0,3 м/сек (при высоте остекления до 2,0 м).
Происходящее нарушение комфортных условий заставляет думать об активизации восходящих тепловых струй от отопительных приборов, размещенных под окнами, а в местностях с суровой зимой, кроме того, о применении тройного остекления в тех общественных зданиях, где гигиенические требования наиболее высоки, а места постоянного пребывания людей расположены непосредственно у окон (школы, больницы, детские учреждения).
В жаркий период года, при вероятности перегрева помещений, для человека в легкой одежде, пребывающего в спокойном состоянии, допустимым пределом температуры помещения (по данным советских исследователей) является 28°, а по зарубежным данным — до 30°.
На рис. III.2 приведена номограмма для определения зоны комфорта в летних условиях, разработанная Американской ассоциацией инженеров по отоплению и вентиляции.
Комплексное влияние факторов микроклимата выражено на этом рисунке эффективной температурой, значение которой соответствует температуре неподвижного насыщенного воздуха, вызывающего у человека тепловое ощущение; аналогичное тому, которое он испытывает в рассматриваемой воздушной среде.
Условия, приведенные на рисунке, соответствуют равенству температур воздуха и радиационной температуры поверхностей, ограждающих помещение; скорость движения воздуха незначительна (до 0,12 м/сек).
С повышением радиационной температуры и интенсивности излучения поверхностью ограждающих конструкций гигиенически допустимая температура воздуха помещения снижается. Изменение радиационной температуры на 1° примерно соответствует изменению эффективной температуры на 0,5°.
Предельно допустимая (по гигиеническим требованиям) температура поверхностей ограждающих конструкций tмакспов зависит от высоты помещения. Для определения такой температуры (при отсутствии заметного движения воздуха в помещении) В. Н. Богословским из условий допустимого облучения головы человека предложена формула
где коэффициент углового излучения φ=1—0,8·Δh/l; Δh — превышение высоты помещения по сравнению с ростом человека, м;
где а и b — ширина и длина излучающих поверхностей, м.
Если за излучающие поверхности принять наружные стены типичного по площади жилого углового помещения в промежуточном (l=(6+3)/2=4,5), то при Δh= 0,5 м
В действительности влияние высоты помещения будет еще более значительным, поскольку при ее увеличении активизируются конвекционные токи воздуха.
В связи с этим, предельное ограничение высоты жилых помещений, допустимое в мягком умеренном климате, гигиенически нецелесообразно в крайних южных районах.
При проектировании ограждающих конструкций необходимо обеспечить требуемые нормами для рабочей зоны данного помещения температуру и влажность воздушной среды.
Установленные нормами значения температуры внутреннего воздуха можно подразделить на три категории.
1. Пониженная температура (8—12°), допустимая в слабо отапливаемых помещениях, по условиям производственной обстановки.
2. Нормальная температура, равная: а) 12—15° — для помещений, где люди заняты работой, требующей затраты физических усилий; б) 18—20° — для помещений, где находятся люди в малоподвижном состоянии, не требующем физического напряжения.
3. Повышенная температура (21—23°), необходимая при легкой одежде и точной работе, не связанной с физическими усилиями.
В качестве основного показателя влажности внутреннего воздуха принимается относительная влажность φ, выраженная в процентах от полного насыщения воздушной среды.
Различают следующие градации относительной влажности φ: 1) низкая влажность (менее 50%), соответствующая сухим помещениям; 2) нормальная влажность (от 50 до 60%) в помещениях с нормальной влажностью; 3) повышенная влажность (61—75%), соответствующая влажным помещениям; 4) высокая влажность (более 75%), соответствующая помещениям с мокрым режимом, в которых обычно неизбежна в холодный период года конденсация влаги на ограждающих поверхностях.
От величины относительной влажности воздуха и степени утепленности ограждений зависит возможность образования капельной влаги на поверхности этих конструкций, обращенной в помещение, а также возможность конденсации влаги в порах и капиллярах материала.
Такие виды увлажнения ограждающих конструкций наиболее опасны в отношении потери ими теплозащитных свойств и возможной активизации разрушения наименее стойких конструктивных элементов.
Для количественного изучения этих увлажняющих процессов, а также для расчета диффузии водяного пара, направленной из помещения наружу (и вызываемой разностью парциальных давлений водяного пара во внутренней и наружной воздушных средах), необходима классификация температурно-влажностного состояния помещений, основанная на характерных значениях как температуры, так и относительной влажности внутреннего воздуха. Только совместное рассмотрение температуры и относительной влажности позволяет установить количество влаги, конденсирующееся на поверхности конструкции, при охлаждении ее до температуры, соответствующей точке росы, а также рассчитать количественный эффект процесса перемещений влаги внутри конструкции. Эффективность процесса диффузии водяного пара и количество влаги, конденсирующейся в результате этого процесса внутри охлажденной части конструкции, также могут быть изучены лишь при совместном рассмотрении температуры и относительной влажности внутреннего воздуха.
Эти особенности увлажнения ограждающих конструкций отражены в классификации температурно-влажностного состояния помещений, учитывающей значения температуры и относительной влажности (табл. III.3) в холодный период года.
В летний период года температура в помещениях повышается, а относительная влажность падает по сравнению с значениями этих параметров, указанными в табл. III.3.
Пределы повышения температуры и уменьшения влажности в помещениях с некондиционируемым микроклиматом зависят от температуры наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации, а также от кратности воздухообмена.
Поскольку в большинстве помещений в летнее время года широко используется естественный воздухообмен, отклонение температуры воздушной среды помещения от температуры наружного воздуха в течение сколько-нибудь длительного периода времени может происходить только в ограниченных пределах (обычно разница между этими температурами не превышает ±5°); для помещений с искусственным охлаждением верхним пределом этой разницы по гигиеническим условиям считается 10°.
Защита внешних поверхностей здания и особенно его световых проемов от солнца и наиболее эффективное использование естественного воздухообмена в состоянии поддержать внутреннюю температуру, близкую к верхнему пределу комфорта, лишь при соответствующих климатических условиях, целесообразных видах ограждений и приемлемом типе здания.
Целесообразный эксплуатационный режим жилых зданий, не имеющих кондиционирования воздуха, может на несколько градусов снизить температуру помещений.
На рис. III.3, характеризующем летние температурные условия жилых помещений на территории Узбекской ССР, исследованные в 1960—1962 гг., видно, что при круглосуточном проветривании и отсутствии солнцезащиты окон, температура воздуха помещений в дневное время близка к высокой температуре наружного воздуха, а при солнцезащите светопроемов и ночном сквозном проветривании понижается примерно на 6° по сравнению с этой последней температурой. Однако и в этом случае температура помещения превышает верхнюю границу комфорта.
Относительно более значительный перегрев помещений даже при целесообразном эксплуатационном режиме (одностороннее ночное проветривание и солнцезащита светопроемов) отмечается в помещениях верхнего этажа с совмещенной невентилируемой крышей (рис. III.4).
Применение конструкции крыши, вентилируемой наружным воздухом, понижает температуру помещения на 3° и более, как это видно из рисунка.
Данные рисунков III.3 и III.4 относятся к жилым помещениям с высотой 2,5 м.
В неблагоприятных климатических условиях приходится прибегать к кондиционированию микроклимата помещений. Средства кондиционирования могут быть местными (переносные вентиляторы и кондиционеры) или общими для здания в целом (системы радиационного охлаждения или кондиционирования.
Наиболее целесообразными являются системы радиационного охлаждения.
Примечания
1. Под кратностью воздухообмена n понимается отношение объема воздуха, поступающего в помещение в течение часа, V/ч, к объему (кубатуре) помещения V0, т. е. n=V/rV0; n имеет физическую размерность 1/ч.
2. В холодный период года в отапливаемых помещениях с излишней площадью остекленных поверхностей лучистая составляющая теплопотерь человеческого организма возрастает еще более.