ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА та АРХІТЕКТУРИ

ПЕТРЕНКО ВІКТОР ОЛЕГОВИЧ

УДК 628.87: 697.245.386

ПОЛІПШЕННЯ УМОВ МІКРОКЛІМАТУ В ПРИМІЩЕННЯХ ЗА РАХУНОК ПОВЕРХНЕВО-РОЗВИНУТОГО НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОБІГРІВУ

Спеціальність 05.26.01 - охорона праці

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Чесанов Леонтій Георгійович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри опалення, вентиляції та якості повітряного середовища, директор Інституту екології і безпеки життєдіяльності в будівництві.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Кременчуцький Микола Феофанович, Національний гірничий університет, професор кафедри аерології і охорони праці;

- кандидат технічних наук, доцент Стрежекуров Едуард Євгенович, Дніпродзержинський державний технічний університет, доцент кафедри електрообладнання.

Провідна установа: Харківська національна академія міського господарства, кафедра безпеки життєдіяльності.

Захист відбудеться "17" лютого 2005 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .085.03 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а, ауд. 202.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а.

Автореферат розісланий "14" січня 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Шаленний В.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Здоров'я, самопочуття, а також працездатність людини багато в чому залежить, у першу чергу, від теплових параметрів внутрішнього середовища: температури внутрішнього повітря і температури поверхонь, направлених у середину приміщення. Їхнє забезпечення в холодний і перехідний періоди року можливе шляхом енергоефективних технологій опалення приміщень.

Дослідженню засобів забезпечення мікроклімату приміщень у вітчизняній і світовій літературі присвячені роботи В.Н. Богословського, Л. Банхіді, Ф.А. Міссенара. Однак у них недостатньо висвітлені питання впливу променистої складової теплообміну на оцінку мікроклімату приміщень. Тому потрібно розробити методики оцінки мікрокліматичних умов приміщень з урахуванням температури оточуючих людину поверхонь, а також енергоефективної технології опалення.

Це дозволить поліпшити умови життєдіяльності людини, підвищити продуктивність праці і знизити енерговитрати на створення мікроклімату приміщень, що є для України актуальним на сьогоднішній день.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках завдань комплексної Державної програми енергозбереження України, держбюджетних науково-дослідних тем Міністерства освіти і науки України: “Методологія розробки оптимального теплового захисту існуючих будівель і енергоефективних технологій забезпечення мікроклімату житла з використанням нетрадиційних видів енергії”, 2001 – 2003 р.р. (№ держреєстрації 0102U002364), „Економіко-математичне моделювання енергоекономічних систем життєзабезпечення житлових та громадських будівель”, 2004 – 2006 р.р. (№ держреєстрації 0104U000232).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – поліпшення мікрокліматичних умов у приміщеннях житлових і громадських будівель за рахунок рівномірного впливу променистого теплообміну на організм людини і підвищення енергоефективності технологій його забезпечення.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

–

–

–

–

–

Об'єкт дослідження – мікроклімат у будинках.

Предмет дослідження – променистий теплообмін у приміщенні.

Методи дослідження – аналіз теоретичних і експериментальних робіт з науковим узагальненням; математичне і фізичне моделювання; експериментальні дослідження впливу параметрів мікроклімату на теплообмін між тілом людини і внутрішнім середовищем приміщення; обробка результатів експериментальних досліджень на ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

–

–

–

–

Практичне значення одержаних результатів складається в використані результатів дисертаційної роботи в проектній практиці, та у навчально-методичній роботі, а саме:

–

–

–

–

Особистий внесок здобувача складається з аналізу науково-технічної і патентної літератури в галузі мікроклімату приміщень і систем, що його забезпечують [4], в обґрунтуванні мети і задач досліджень, з розробки методик і виконання експериментальних досліджень [2, 3], наукового обґрунтування отриманих результатів, розробок математичної моделі розрахунку умовної температури біля поверхні тіла людини з врахуванням променистої складової теплообміну [5, 6], фізичної моделі для дослідження впливу параметрів внутрішнього середовища на людину, енергоефективної технологічної схеми обігріву [13], а також методик конструктивного розрахунку гріючих поверхонь і теплоакумулятора [7, 10].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи викладені й обговорені на міжнародних симпозіумах “Безпека життєдіяльності в ХХІ сторіччі” (м. Дніпропетровськ, 2001 р., 2004 р., м. Хургада (Єгипет), 2003 р.), міжнародній конференції “Від перехідної економіки до постійного розвитку” (м. Дніпропетровськ, 2001 р.), міжнародному екологічному симпозіумі “Стратегія виходу з глобальної екологічної кризи” (м. Санкт-Петербург (Росія), 2001 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Енергоефективність - 2002” (м. Київ, 2002 р.), міжнародних наукових конференціях “Перспективні задачі інженерної науки” (м. Алушта, 2000 р., 2002 р., м. Ігало (Чорногорія), 2003 р.), науково-технічних конференціях “Стародубовські читання” (м. Дніпропетровськ, 2000 - 2003 р.р.), міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (м. Львів, 2003 р.), міжнародній конференції “Енергозбереження. Безпека. Екологія в промисловості і комунальній енергетиці” (м. Ялта, 2003 р.), міжнародному енергоекологічному конгресі “Енергетика. Екологія. Людина.” (м. Київ, 2004 р.), на щорічних конференціях ПДАБА (1999 - 2003 р.р.), на наукових семінарах і нарадах кафедр безпеки життєдіяльності та опалення, вентиляції і якості внутрішнього середовища ПДАБА (1998 - 2004 р.р.).

Публікації. Результати досліджень дисертаційної роботи опубліковані в 28 друкованих працях: 14 публікацій у збірниках наукових праць, 2 патентах України на винахід, 12 тезах доповідей на науково-практичних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків по роботі, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг дисертації складає 211 сторінок. Крім основного тексту, який викладено на 147 сторінках, дисертація містить 23 рисунки, 3 таблиці, список використаних джерел із 114 найменувань на 10 сторінках і додатків на 53 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита актуальність досліджень, спрямованих на створення комфортного мікроклімату в приміщеннях житлових і громадських будівель для поліпшення умов праці і підвищення працездатності людини, розробку критеріїв оцінки впливу параметрів мікроклімату на людину, які створюються системами низькотемпературного поверхнево-розвинутого обігріву; сформульовані мета і задачі досліджень, обґрунтовані новизна і практична цінність роботи.

У першому розділі виконаний аналіз теоретичних і експериментальних досліджень мікрокліматичних умов у приміщеннях житлових і громадських будівель, їхній вплив на самопочуття, здоров'я і працездатність людини. Проаналізовано способи оцінки мікроклімату в приміщеннях.

Увага до створення комфортних мікрокліматичних умов у приміщеннях у світовій практиці постійно зростає й обумовлена насамперед турботами про здоров'я людини і підвищення продуктивності його праці. Також на стадії проектування становить інтерес оцінка прийнятих рішень із забезпечення мікроклімату приміщень для максимальної комфортності людини і підвищення її працездатності.

Як показав аналіз досліджень мікрокліматичних умов приміщень, на сучасному етапі методика їхньої оцінки не враховує нерівномірність променистого теплообміну. Тому доцільною є розробка аналітичних критеріальних оцінок мікрокліматичних умов у приміщеннях житлових і громадських будівель, з врахуванням променистого теплообміну.

Вихідною науковою базою при створенні критеріальных оцінок внутрішніх мікрокліматичних умов є роботи В.Н. Богословського, Л. Банхіді, Ф.А. Міссенара, Л.В. Павлухіна, Л.А. Гвозденко, Ф.М. Шлейфман і інших вчених.

Теплові мікрокліматичні умови в приміщеннях у холодний період створюються системами обігріву конвекційного і радіаційного типу. Завдяки дослідженням В.Н. Богословського та інших вчених розроблені основи дослідження, розрахунку і конструювання технологічних схем обігріву приміщень.

Аналіз досліджень, виконаних М.С. Плешка, П.Р. Сабаді, Бекман, Д. Мак-Вейла і багатьма іншими вченими, з розробки технологічних схем обігріву приміщень і підвищення їх енергоефективності за рахунок використання поновлюваних видів енергії і її акумуляції показали, що є шляхи їхнього удосконалення. Акумулятори теплової енергії, як елемент енергоефективної системи обігріву, є найменш розробленою її конструктивною частиною. Відсутні в достатній кількості експериментальні й аналітичні дослідження теплоакумуляторів, робота яких ґрунтується на використанні теплоємності матеріалів, зокрема, де використовуються такі широко розповсюджені тверді матеріали, як глина, пісок і ґрунт.

На основі проведеного аналізу сформульовані мета і задачі досліджень.

У другому розділі проведені дослідження з розподілу променистого теплообміну біля поверхні тіла людини при різних технологіях опалення. Розглянуто характеристику променистого теплообміну в приміщеннях будівель і його вплив на поверхню тіла людини.

Опаленню приміщень поверхнями, що випромінюють тепло, гігієністами приділялася особлива увага вже давно. Ф.Ф. Ерісман вказував, що системи опалення із санітарної точки зору будуть мати різні переваги в залежності від способу передачі ними тепла. Найбільш сприятливі умови для організму, вважав він, можуть бути створені при зменшенні тепловтрат випромінюванням з поверхні тіла людини.

Дослідження В.Н. Богословського, Л. Банхіді, Ф.А. Міссенара, Winslow, Bedford, Kolmar дозволили отримати дані для нормування температури гріючих поверхонь з метою забезпечення теплового комфорту в приміщеннях, обладнаних системами поверхнево-розвинутого обігріву. Разом із тим ці дані відрізняються великою строкатістю. Дотепер залишається неясним питання про оптимальні інтенсивності променистого теплообміну і температури повітря в приміщеннях з цими системами обігріву та про раціональне розміщення обігрівальних поверхонь.

Для оцінки впливу теплового випромінювання також важливе значення мають спектральний склад і інтенсивність випромінення. При температурах поверхонь в межах від 0 до 150 оС максимуми випромінювання довжини хвилі знаходяться в межах від 10 до 7 мкм, від 7 до 0,55 мкм – відповідають температури в межах від 150 до 3800 оС. У зв'язку з тим, що термопроменева напруженість характеризується нерівномірністю в просторі, оцінку його необхідно вести окремо для кожної точки.

Характеризуючи тепловий стан приміщення, прийнято говорити про температуру внутрішнього повітря в ньому. Однак тепловий комфорт, при перебуванні людини в приміщенні, не може бути однозначно визначений тільки цим параметром. Основні тепловтрати людиною в холодний період року (близько 50% загальних тепловтрат) здійснюються променистою (радіаційною) тепловіддачею, що залежить від різниці температур оточуючих його поверхонь і поверхні тіла людини. Холодні огородження викликають посилене випромінювання тепла з поверхні тіла людини.

Автором проведені натурні дослідження в приміщеннях житлових і громадських будівель з повітряним і радіаторно-конвективним обігрівом, які показали, що розподіл температури повітря по висоті приміщення відрізняється від даних, наведених у Г. Рітшеля і В.Н. Богословського. Це обумовлено тим, що на її величину значно впливає температура всіх поверхонь, звернених усередину приміщення, особливо зовнішніх огороджень. У зв'язку з цим можна припустити, що на людину, яка знаходиться всередині приміщення, сумарний вплив температур повітря і радіаційних температур усіх поверхонь, звернених в середину приміщення, відбувається не тільки по висоті, але і по його поверхні. Для оцінки впливу необхідно мати сумарний розподіл цих температур по поверхні тіла людини при різних технологіях обігріву приміщень. Рішення такої задачі потребує залучення методів фізичного і математичного моделювання з їх реалізацією на ПЕОМ.

Результати досліджень сумарного впливу температур повітря і температур усіх поверхонь, звернених усередину приміщення, наведені на Рис. 1 і характерні для приміщень з відношенням площ віконного прорізу і зовнішньої стіни, що дорівнює . Дані наведені для перетину, розташованого посередині кімнати в трьох площинах (біля вікна, посередині та біля протилежної вікну стіни).

Рис. 1. Розподіл сумарного впливу температур повітря і радіаційних температур по висоті приміщення при: - повітряному обігріві; - острівному обігріві

Враховуючи взаємний вплив температур усіх поверхонь, звернених убік людини, можна одержати теоретичну картину розподілу температури біля поверхні тіла людини, що ілюструє Рис. 2.

Якщо просумувати температури, що впливають на поверхню тіла людини в кожній точці, то одержимо картину розподілу теплового опромінення і, як наслідок, температури біля поверхні тіла людини.

Сумарну температуру в будь-якій точці біля поверхні тіла людини, що характеризує інтенсивність процесу конвективного і променистого теплообміну, назвемо умовною температурою, що не враховує:

–

–

–

Рис. 2. Визначення частини поверхні тіла людини, що опромінюється, і розподіл температур біля її поверхні

Величина умовної температури в кожній точці біля поверхні тіла людини визначається як

, (1)

де ?Дtп – зміна умовної температури внаслідок впливу променистої складової поверхонь, звернених усередину приміщення, оС;

tв – температура внутрішнього повітря, оС.

Зміну Дtп запропоновано визначати за формулою:

, (2)

де Qл-п – кількість тепла, що надходить випромінюванням до поверхні тіла людини, Вт;

р – коефіцієнт поглинання;

бо – коефіцієнт теплообміну біля поверхні тіла людини, Вт/м2?оС;

Fп – площа випромінюючої поверхні, м2.

Умовна температура біля поверхні тіла людини - величина обумовлена і залежить від Qл-п, тобто кожна точка поверхні біля тіла людини буде мати температуру рівну tумл. Ця температура може бути визначена як експериментально, так і аналітично.

В зв'язку з тим, що людина знаходиться в приміщенні в холодний період року в оточенні поверхонь з різними температурами, на тіло людини по його периметру впливає з різною величиною Qл-п. Це призводить до нерівномірного розподілу умовної температури біля поверхні тіла людини по його периметру. Тому для оцінки нерівномірності впливу променистого теплообміну, при різних технологіях опалення, запропонований критерій, що характеризує нерівномірність розподілу умовної температури.

Вибір може здійснюватися з наступним критерієм:

–

, (3)

де - відносне відхилення параметрів від середніх значень в i – ій точці;

n – кількість вимірів, шт.

У роботі розроблено математичну модель розрахунку умовної температури біля поверхні тіла людини. В основу математичної моделі взяті формули для визначення теплообміну між елементом поверхні тіла людини dFл і повною поверхнею випромінюючої панелі Fп.

На поверхні тіла людини виділявся елемент площею dFл, а на випромінюючій поверхні - dFп, які розташовані в просторі відносно один одного довільно, як наведено на Рис. 3.

Рис. 3. Теплообмін випромінюванням між елементом тіла людини і поверхнею

В результаті була отримана формула для визначення умовної температури біля поверхні тіла людини в точці

(4)

де Fi – площа i – ої огороджуючої конструкції, м2;

ti – радіаційна температура конструкцій, що огороджують, 0С;

б0 – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2?0С);

р – коефіцієнт поглинання;

tв – температура внутрішнього повітря, 0С;

С – коефіцієнт випромінення поверхні сірого тіла, Вт/(м2?К4);

– коефіцієнт опромінення з обмеженої площадки на елементарну.

Потім розраховані за цим методом умовні температури біля поверхні тіла людини в точці використовуються в методиці оцінки ефективності систем обігріву приміщень шляхом порівняння теплової нерівномірності з нормативними значеннями теплового середовища в приміщенні.

При визначенні умовних температур аналітичним шляхом біля поверхні тіла людини були виконані спрощення. Тому, для підтвердження адекватності математичної моделі реальним фізичним процесам теплообміну людини з навколишнім середовищем приміщення, були проведені дослідження на фізичній моделі.

У третьому розділі наведені експериментальні дослідження впливу променистого теплообміну на поверхню тіла людини.

Для більш детального вивчення розподілу умовної температури біля поверхні тіла людини було проведено фізичне моделювання. Для проведення лабораторних досліджень на моделюючій установці була розроблена методика неповного фізичного моделювання теплових процесів. Завданням експериментальних досліджень, при досліджуваних технологіях обігріву приміщень, було одержання профілів умовної температури біля поверхні тіла людини.

Для проведення експериментальних робіт була розроблена і змонтована фізична моделююча установка, виконана в масштабі 1:10, яка являла собою приміщення з розмірами 400х465х290 мм. Віконний проріз має розміри 180х110 мм, а в якості обігріву застосовувалися поверхні огороджуючих конструкцій, в яких розташовані нагрівальні елементи.

Результати експериментальних досліджень розподілу профілю температур біля поверхні тіла людини були приведені до натурних умов за допомогою розроблених масштабів перерахунку:

–

, (5)

де tпч – умовна температура біля поверхні тіла людини, оС;

tн – температура зовнішнього повітря, оС;

Сtt – масштаб температур;

–

, (6)

де tp – радіаційна температура, оС;

–

, (7)

де tпн – температура поверхні нагрівання, оС;

–

, (8)

де Се - масштаб ступеня чорності;

Сl - масштаб лінійних розмірів;

м, н – індекси, що позначають модель і натуру.

Приклади результатів виміру умовної температури при поверхнево-розвинутому і острівному обігріві приміщень приведені на Рис. 5 і 6.

Рис. 4. Схема розташування точок (П1, П2, П3, П4) вимірювання температури, що впливає на поверхню тіла людини, при поверхнево-розвинутому й острівному обігріві приміщень

1, 2, 3 – нагрівальні панелі

Аналіз результатів проведених лабораторних досліджень показав, що рівномірність розподілу умовної температури біля поверхні тіла людини залежить від температури поверхонь, що її огороджують і звернених в середину. Епюра умовної температури виходить рівномірнішою, якщо температура поверхонь має однакову величину, що видно з результатів дослідження при поверхнево-розвинутому обігріві (див. Рис. 6).

З показника теплової нерівномірності видно, що найбільш прийнятними для обігріву приміщень є системи поверхнево-розвинутого обігріву, а саме, коли гріючі елементи, розташовані в зовнішньому огородженні (див. Рис. 6).

Аналізуючи показники теплової нерівномірності для різних положень людини у будь-якій точці приміщення, бачимо, що чим далі знаходиться людина від огороджуючих конструкцій, тим більше рівномірний розподіл температур біля поверхні тіла людини.

П1 | П2

П3 | П4

Рис. 5. Епюри розподілу температурного поля біля поверхні тіла людини при високотемпературному острівному обігріві і показники коефіцієнта теплової нерівномірності

З цього випливає, що при розробці системи обігріву будинку необхідно застосовувати елементи обігріву, які б давали рівномірний розподіл умовної температури біля поверхні тіла людини. При цьому температура поверхонь, особливо зовнішніх огороджуючих конструкцій, повинна дорівнювати температурі внутрішнього повітря або така, щоб не викликала напругу внутрішнього механізму терморегуляції при тривалому впливі на поверхню тіла людини.

Виконано перевірку адекватності математичної моделі розрахунку умовної температури біля поверхні тіла людини і фізичного моделювання, розбіжність результатів складає від 0,2% до 4,6%, що знаходяться в прийнятних межах.

На стадії проектування і вибору виду системи обігріву приміщень важливо мати не тільки критерії, що характеризують нерівномірність розподілу умовної температури біля поверхні тіла людини, але і таку характеристику, як його працездатність.

П1 | П2

П3 | П4

Рис. 6. Епюри розподілу температурного поля біля поверхні тіла людини при поверхнево-розвинутому обігріві (зовнішня панель) і показники коефіцієнта теплової нерівномірності

Виробничі умови праці, працездатність, стомлення і продуктивність праці тісно між собою зв'язані і взаємно обумовлені. Тому рівень працездатності можна визначити не тільки за допомогою методів фізіологічних досліджень, а також і шляхом кількісної оцінки елементів, що складають умови праці, в нашому випадку змінюється тільки їхня санітарно-гігієнічна складова - умовна температура. Рівні психофізіологічних і соціальних факторів, що визначають важкість і напруженість праці (фізичне, динамічне і статичне навантаження, тривалість безперервної роботи, число об'єктів спостереження і ін.) не змінюються. Тому в роботі запропоновані критерії, що визначають працездатність людини при зміні впливу умовної температури на поверхню тіла людини при різних категоріях виконуваних робіт.

Частка працездатності людини може бути виражена наступною удосконаленою залежністю на основі запропонованої Л.В. Павлухіним:

, (9)

де tум – умовна температура біля поверхні тіла людини, оС;

tвн – нормативна температура внутрішнього повітря, оС;

Кр – частка працездатності людини.

Вибір системи обігріву приміщень повинен також залежати від такого показника, як зміна працездатності в ході прийнятих рішень для поліпшення мікроклімату приміщення від вихідного варіанта. Ці зміни є функцією виду:

(10)

Зміна працездатності людини від змін параметрів мікроклімату, з огляду на вираз (9) і (10), представимо у вигляді:

, (11)

де 1, 2 – індекси, що позначають перший і другий варіант обігріву приміщень.

Для полегшення вибору варіанта системи обігріву вираження (11) представимо в графічному вигляді (Рис. 7) для легкої категорії робіт. Для інших категорій робіт графіки мають аналогічний вигляд.

Рис. 7. Номограма зміни працездатності людини з урахуванням категорії робіт (легка)

Використання розроблених графіків дозволить швидко оцінити величину працездатності людини, зміни продуктивності праці при організації заходів, що поліпшують параметри мікроклімату, або, як у нашому випадку, поліпшення умов рівномірного розподілу умовної температури біля поверхні тіла людини. Дані про працездатність людини також дозволяють оцінити економічний ефект підприємства за рахунок впровадження систем, що дозволяють поліпшити комфортні умови в приміщенні.

У четвертому розділі запропонований принцип організації поверхнево-розвинутого обігріву приміщень, що забезпечує найбільш рівномірний розподіл умовної температури біля поверхні тіла людини з використанням низькотемпературних джерел тепла. Удосконалено методику розрахунку конструктивних розмірів поверхнево-розвинутих поверхонь, що гріють, яка реалізована в програмі “Panel”. Вона полягає у визначенні поверхні нагрівання, шагу вкладання трубопроводу й ефективності утеплення зовнішніх огороджень від гріючого трубопроводу у зовнішнє і внутрішнє середовище, що дозволяє оцінити кількість тепла, яке віддається зовнішньому і внутрішньому повітрю за формулою:

, (12)

де Кн – коефіцієнт теплопередачі від гріючого трубопроводу до зовнішнього повітря, Вт/м20С;

Кв - коефіцієнт теплопередачі від гріючого трубопроводу до внутрішнього повітря приміщення, Вт/м20С.

Використання низькотемпературних теплоносіїв у поверхнево-розвинутих поверхнях обігріву обумовлено тим, що температура на її внутрішній поверхні повинна бути приблизно рівна температурі внутрішнього повітря для того, щоб не викликати напруги механізму терморегуляції людини. На основі відомих систем поверхнево-розвинутого обігріву, досвіду використання сонячної енергії і її акумуляції, запропонована нова технологічна схема обігріву приміщень, представлена на Рис. 8. Концепція її роботи полягає в тім, що тепло сонячного випромінювання акумулюється в теплий період року в ґрунтовому низько- і високопотенціальному теплоакумуляторі, а потім використовується на початку холодного періоду.

На розроблені системи низькотемпературного поверхнево-розвинутого обігріву приміщень житлових і громадських будівель отримані патенти України на винахід (№52287А від 02.04.2002р. і №63454А від 15.01.2004р.)

У роботі була розроблена математична модель системи обігріву, що являє собою комплекс взаємозалежних моделей окремих її елементів з параметрами зовнішнього середовища і приміщення, що обігрівається.

Проведено аналітичні дослідження й обґрунтування можливості акумуляції сонячної енергії на прикладі Дніпропетровського регіону і наведені результати з дослідження структури ґрунтів і їх теплофізичних властивостей.

Наведено дослідження роботи акумулятора теплової енергії, як елемента енергоефективної схеми низькотемпературного поверхнево-розвинутого обігріву, що базується на використанні теплоємності матеріалів.

Рис. 8. Принципова схема низькотемпературного поверхнево-розвинутого опалення

1 - сонячна батарея; 2 - водоводяний теплообмінник; 3, 5 - циркуляційний насос; 4, 12 - закритий розширювальний бак; 6 - низькотемпературний ґрунтовий теплоакумулятор; 7 - високотемпературний ґрунтовий теплоакумулятор; 8 - тепловий насос; 9 - циркуляційний насос; 10 – гріюча панель; 11 - резервний нагрівач; В1 – В8 – регулюючі вентилі

Розроблено і побудовано фізичну модель теплоакумулятора, робота якого заснована на теплоємності матеріалів, що дозволяє здійснювати дослідження теплоакумулючих властивостей різних акумулюючих середовищ. Дослідження ґрунтового теплоакумулятора базувалося на визначенні розподілу температурних полів у товщі масиву навколо трубопроводу, що гріє. Експеримент проводився на фізичній моделі, що являє собою три секції, заповнені акумулюючим матеріалом (пісок, глина, ґрунт) і прокладеним у їхній товщі нагрівальним елементом.

Запропоновано схему теплоакумулятора, робота якого заснована на теплоємності матеріалів, способи устрою і розроблено методику його конструктивного розрахунку.

На підставі аналізу і проведених експериментальних досліджень була розроблені схема укладення трубопроводів ґрунтового теплоакумулятора та методику розрахунку його теплоємності і конструктивних розмірів.

Визначення конструктивних розмірів ґрунтового теплоакумулятора виконується в наступній послідовності:

–

, (13)

де Qобщ – кількість теплової енергії, що акумулюється у ґрунтовому теплоакумуляторі, Вт;

с – теплоємність ґрунту, кДж/(кг·0С);

с – щільність ґрунту, кг/м3;

tср – середня температура ґрунту в теплоакумуляторі, 0С;

tг – температура ґрунту до початку процесу акумулювання, 0С.

–

, (14)

де Двит – шаг між витками, м;

L – довжина витка, м.

При роботі теплоакумулятора відбуваються теплові втрати в навколишній ґрунт та зовнішнє середовище.

Теплові втрати в навколишній масив ґрунту можна визначити за формулою:

, (15)

де k – коефіцієнт теплопередачі від теплоносія до навколишнього масиву, Вт/м2?0С;

F – площа поверхні теплоакумулятора, з якої відбувається стік тепла в навколишній масив, м2;

tо -температура навколишнього масиву, 0С;

tср – середня температура акумулюючого масиву в теплоакумуляторі, 0С.

Теплові втрати в навколишнє середовище від теплоакумулятора на ділянці поверхні над ним можна визначити за формулою:

, (16)

де Fо – площа поверхні теплоакумулятора, з якої відбуваються тепловтрати в навколишнє середовище, м2;

Rоср – опір теплопередачі ґрунту, м2?0С/Вт;

tн – розрахункова температура зовнішнього повітря, 0С;

Загальна кількість закумульованої теплової енергії в ґрунтовому теплоакумуляторі визначається за формулою:

, (17)

де Qгр, Qт.п – тепловтрати, відповідно, у масив, що оточує теплоакумулятор і в зовнішнє середовище через утеплювач.

Оскільки керування такою системою є складним процесом, запропоновано регулювати теплові параметри мікроклімату за допомогою технічних засобів і використовувати термостатичні голівки з винесеним датчиком без захисної оболонки для регулювання роботи системи життєзабезпечення по величині умовної температури.

У п'ятому розділі розроблена методика визначення прибутку підприємства від упровадження систем обігріву, що поліпшують комфортність робітничого середовища, за рахунок чого підвищується працездатність людини і, відповідно, його продуктивність праці. На підтвердження чого маються акти впровадження у виробництво, де відзначено, що розроблена енергоефективна система забезпечення мікроклімату забезпечує поліпшення санітарно-гігієнічних умов праці і дає економічний ефект приблизно в розмірі 10 тис. грн. на одному об‘єкті.

Розроблено методику визначення оптимальних параметрів теплової ємності і конструктивних розмірів ґрунтового теплоакумулятора, виходячи з економічних умов.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій наведено теоретичне узагальнення і нове рішення актуальної наукової задачі з охорони праці людини в приміщеннях житлових і громадянських будівель шляхом поліпшення умов мікроклімату за рахунок використання поверхнево-розвинутого низькотемпературного обігріву.

Основні наукові і практичні результати, висновки та рекомендації роботи полягають в наступному:

1. Запропоновано використовувати в оцінці теплових параметрів мікроклімату поняття умовна температура біля поверхні тіла людини, що являє собою сумарну дію температури внутрішнього повітря і температур поверхонь, звернених в середину приміщення.

2. Вперше запропонований критерій оцінки нерівномірності впливу променистого теплообміну при різних технологіях опалення, що характеризує нерівномірність розподілу умовної температури біля поверхні тіла людини і може бути використаний при виборі схем обігріву приміщень.

3. Розроблена і побудована фізична модель приміщення, що дозволяє здійснити порівняльні дослідження різних технологій обігріву і їхнього впливу на людину. Проведено дослідження на моделі теплових параметрів мікроклімату при різних технологіях обігріву й отримані профілі розподілу температур біля поверхні тіла людини. Установлено, що при розробці системи обігріву будинку необхідно застосовувати елементи обігріву, які б мали розвинену поверхню для рівномірного нагрівання огороджуючих конструкцій. При цьому температура поверхонь конструкцій, що обгороджують, повинна бути рівна температурі внутрішнього повітря або така, щоб при тривалому впливі на поверхню тіла людини не викликати внутрішнього напруження механізму терморегуляції.

4. Вперше розроблена математична модель визначення умовної температури, що дозволяє розрахувати її величину в будь-якій точці біля поверхні тіла людини, для аналітичної оцінки нерівномірності її впливу.

5. Удосконалено залежність для визначення працездатності людини при зміні впливу умовної температури на поверхню тіла людини для різних категорій виконуваних робіт.

6. Запропоновано енергоефективну технологію обігріву, розроблена енергоекономічна система низькотемпературного поверхнево-розвинутого обігріву приміщень і вказаний напрямок її удосконалення. Запропонована акумуляція теплової енергії, що надходить від альтернативних джерел у сезонні низькопотенціальні і високопотенціальні теплоакумулятори.

7. Розроблено математичну модель енергоекономічної системи поверхнево-розвинутого обігріву приміщення, яка дозволяє при відомих значеннях параметрів джерела теплової енергії здійснювати дослідження режимів її роботи і визначати оптимальні значення внутрішніх параметрів мікроклімату.

8. Розроблено і реалізовано фізичну модель теплоакмулятора, робота якого базується на теплоємності матеріалів. Запропоновано схему теплоакумулятора, способи його влаштування і розроблена методика його конструктивного розрахунку.

9. Розроблена енергоефективна система забезпечення мікроклімату, яка дозволяє поліпшувати санітарно-гігієнічні умови праці і дає економічний ефект.

10. Запропоновано методику розрахунку економічних надходжень (прибутку) від поліпшення параметрів мікроклімату приміщення енергоекономічною системою обігріву.

11. Запропоновано методику визначення оптимальних параметрів теплової ємності і конструктивних розмірів ґрунтового теплоакумулятора, виходячи з економічних умов.

12. Результати роботи впроваджені на ряді підприємств м. Дніпропетровськ і використовуються в навчальному процесі ПДАБА.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ з ТЕМи ДИСЕРТАЦії

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

АННОТАЦИЯ

Петренко В.О. Улучшение условий микроклимата в помещениях за счет поверхностно-развитого низкотемпературного обогрева. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 – охрана труда. Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 2004.

Диссертация посвящена улучшению состояния микроклимата в помещениях жилых и гражданских зданий за счет равномерного воздействия лучистого теплообмена на организм человека и повышения энергоэффективности технологий его обеспечения.

В работе выполнен анализ теоретических и экспериментальных исследований микроклиматических условий в помещениях жилых и гражданских зданий, их влияние на самочувствие, здоровье и работоспособность человека. Проанализированы способы оценки микроклимата в помещениях.

Проведены исследования по распределению лучистого теплообмена у поверхности тела человека при различных технологиях обогрева. Рассмотрена характеристика лучистого теплообмена в помещениях зданий и его воздействие на поверхность тела человека, который характерен тем, что при различных схемах обогрева помещений наблюдается неравномерность его распределения.

Для оценки воздействия необходимо иметь суммарное воздействие температур воздуха и радиационных температур всех поверхностей, обращенных во внутрь помещения, по поверхности тела человека при различных технологиях обогрева помещений. Решение такой задачи потребовало привлечение методов физического и математического моделирования с их реализацией на ПЭВМ.

Суммарную температуру в любой точке поверхности тела человека, характеризующую интенсивность процесса конвективного и лучистого теплообмена назвали условной температурой.

В связи с тем, что человек находится в помещении в холодный период года в окружении поверхностей с различными температурами на тело человека по его периметру воздействуют с различной величиной теплового потока. Это приводит к неравномерному распределению условной температуры у поверхности тела человека по его периметру. Поэтому для оценки неравномерности воздействия лучистого теплообмена при различных технологиях отопления предложен критерий, характеризующий неравномерность распределения условной температуры у поверхности тела человека.

Экспериментальным путем получены профили условных температур у поверхности тела человека, совпадающие с данными, полученными аналитическим путем, при различных технологиях обогрева расхождение результатов составляет от 0,2% до 4,6%, которые находятся в приемлемых пределах.

Разработаны схемы энергоэкономичных систем низкотемпературного поверхностно-развитого обогрева. Энергоэффективность разработанных систем заключается в использовании солнечной энергии и ее аккумуляции в грунтовом теплоаккумуляторе, с последующим ее использованием для обогрева в качестве низкотемпературного теплоносителя.

Усовершенствована методика конструктивного расчета греющих панелей.

На основе аналитических исследований получены результаты по возможности использования солнечной энергии в Днепропетровском регионе для нужд систем жизнеобеспечения. Приведены результаты по структуре грунтов и их теплофизических свойств для использования в грунтовых теплоаккумуляторах сезонного типа.

Предложена конструкция и разработана методика расчета конструктивных размеров аккумулятора тепловой энергии, основанного на принципе теплоемкости материалов.

Разработана методика определения экономической эффективности предприятия от внедрения систем, улучшающих комфортность рабочей среды и повышения работоспособности человека и соответственно производительности труда.

Ключевые слова: микроклимат, человек, низкотемпературный обогрев, грунтовый теплоаккумулятор.

АНОТАЦІЯ

Петренко В.О. Поліпшення умов мікроклімату в приміщеннях за рахунок поверхнево-розвинутого низькотемпературного обігріву. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.26.01 – охорона праці. Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертація присвячена поліпшенню мікрокліматичних умов у приміщеннях житлових і громадських будівель за рахунок рівномірного впливу променистого теплообміну на організм людини і підвищення енергоефективності технологій його забезпечення.

В результаті аналітичних і експериментальних досліджень для оцінки нерівномірності впливу променевого теплообміну при різних технологіях обігріву запропонований критерій, який характеризує нерівномірність розподілу умовної температури. Наведено рішення рівняння для