Лабораторная работа № 1. Изучение параметров микроклимата в помещениях, методов и средств для их измерения и улучшения

Время, отведённое на выполнение лабораторной работы, – 2 часа.

1. Цели и задачи лабораторной работы

1. Изучение и измерение параметров микроклимата в помеще­нии и оценка их соответствия действующим нормативным документам.

2. Изучение современных методов и средств для улучшения па­раметров мик­роклимата в помещениях в разные времена года.

2. Оборудование и приборы

Ртутный, спиртовой и шаровой термометры, стационарный и ас­пирацион­ный психрометры, пипетка, мензурка с водой, во­лосяной гигрометр, чашечные и крыльчатые анемометры различных модификаций, измеритель темпера­туры и влажно­сти «ТКА-ТВ», инфракрасный термометр (пирометр), установка для изучения па­раметров микроклимата в помещении и процессов теплообмена, се­кундомер.

3. Краткие теоретические сведения

3.1. Параметры микроклимата в помещениях, их влияние на людей

Большое влияние на самочувствие, здоровье и работоспособность человека оказывает микроклимат учебных и других помеще­ний, кото­рый по Межгосударственному стандарту ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Пара­метры микроклимата в помещениях» [8] характеризуется следующими основными пара­мет­рами: 1 – температура воздуха; 2 – скорость движения воздуха; 3 – от­носи­тельная влажность воздуха; 4 – результирующая темпера­тура по­меще­ния; 5 – локальная асимметрия результирующей температуры.

В ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» [8] даются следующие определения.

1. Допустимые параметры микроклимата: Сочетания значений показателей микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека могут вызвать общее и локальное ощущение дискомфорта, ухудшение самочувствия и понижение работоспособности при усиленном напряжении механизмов терморегуляции и не вызывают повреждений или ухудшения состояния здоровья.

2. Качество воздуха: Состав воздуха в помещении, при котором при длительном воздействии на человека обеспечивается оптимальное

или допустимое состояние организма человека.

3. Оптимальное качество воздуха: Состав воздуха в помещении, при котором при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивается комфортное (оптимальное) состояние организма человека.

4. Допустимое качество воздуха: Состав воздуха в помещении, при котором при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивается допустимое состояние организма человека.

5. Локальная асимметрия результирующей температуры: Разность результирующих температур в точке помещения, определённых шаровым термометром для двух противоположных направлений.

6. Микроклимат помещения: Состояние внутренней среды помещения, оказывающее воздействие на человека, характеризуемое показателями температуры воздуха и ограждающих конструкций, влажностью и подвижностью воздуха.

7. Обслуживаемая зона помещения (зона обитания): Прост­ранство в помещении, ограниченное плоскостями, параллельными полу и стенам: на высоте 0,1 и 2,0 м над уровнем пола - для людей стоящих или двигающихся, на высоте 1,5 м над уровнем пола - для си­дящих людей (но не ближе, чем 1 м от потолка при потолочном отоп­лении), и на расстоянии 0,5 м от внутренних поверхностей наружных и внутренних стен, окон и отопительных приборов.

8. Оптимальные параметры микроклимата: Сочетание значений показателей микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают нормальное тепловое состояние организма при минимальном напряжении механизмов терморегуляции и ощущение комфорта не менее чем у 80% людей, находящихся в помещении.

9. Помещение с постоянным пребыванием людей: Помещение, в котором люди находятся не менее 2 часов непрерывно или 6 часов суммарно в течение суток.

10. Радиационная температура помещения: Осреднённая по площади температура внутренних поверхностей ограждений помещения и отопительных приборов.

11. Результирующая температура помещения: Комплексный показатель радиационной температуры помещения и температуры воздуха помещения, определяемый по приложению А ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» [8].

12. Скорость движения воздуха: Осреднённая по объёму обслуживаемой зоны скорость движения воздуха.

13. Температура шарового термометра: Температура в центре

тонкостенной полой сферы, характеризующая совместное влияние температуры воздуха, радиационной температуры и скорости движения воздуха.

14. Тёплый период года: Период года, характеризующийся среднесуточной температурой наружного воздуха выше 8 °С.

15. Холодный период года: Период года, характеризующийся среднесуточной температурой наружного воздуха, равной 8 °С и ниже.

Метеорологические условия рабочей среды (микроклимат) ока­зывает влияние на процесс теп­лообмена и характер работы. Длитель­ное воздействие на че­ловека небла­гоприятных метеорологических ус­ловий резко ухудшает самочувствие, снижает производительность труда и приводит к заболева­ниям. При нор­мировании метеорологичес­ких условий в помещениях учи­тывают время года и физическую тя­жесть выполняемых работ. Для создания благоприят­ных условий работы, соответст­вующих физиологическим потребностям человеческого организма, сани­тарные нормы устанавливают оптимальные и допустимые метеороло­гические условия в помещении.

Оптимальные микроклиматические ус­ловия – это сочетание количе­ственных показателей мик­роклимата, которые при длительном и сис­тематическом воздействии на человека обеспечивают сохранение нор­мального теплового состояния его организма без напряжения механизмов терморегуляции. Они обеспечи­вают ощущение теплового комфорта и создают предпосылки для высо­кой работоспособности человека.

Допустимые микроклиматические усло­вия – это сочетание количественных показателей микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека могут вызвать преходящие и быстро нормализующиеся из­менения теплового состояние его организма, сопровождающиеся напря­жением организма терморегуляции, не выходящие за пределы физиологиче­ских приспособительных возможностей. При этом нет ухудшения или нарушения здоровья, но могут быть ощущение дискомфорта, ухудшение самочувст­вия, работоспособности.

Самочувствие человека сильно зависит от темпе­ратуры. Негативное воздействие на организм чело­века оказывают как повы­шение, так и понижение температуры воздуха в по­мещениях по сравнению с их нормативными величинами для соответ­ст­вующих помещений.

По Санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам СанПиН 2.4.2.2821-10 «Санитарно-эпидемиологические требо­вания к условиям и организации обучения в общеобразователь­ных учреждени­ях» [59] температура воз­духа в зависимости от климати­ческих условий в учебных помещениях и кабинетах, кабинетах психо­лога и логопеда, лабораториях, актовом зале, столовой, рекреациях, библиотеке, вести­бюле, гардеробе должна составлять 18–24 °С; в спортзале и комнатах для проведения секцион­ных занятий, мастерских - 17–20 °С; спальне, игровых комнатах, по­мещениях подразделений дошкольного образо­вания и пришкольного интерната – 20–24 °С; ме­дицинских кабинетах, в раздевалках спортивного зала – 20–22 °С; душевых – 25 °С.

При повышении температуры окружающего воз­духа по срав­не­нию с нормативной, особенно значительное, человек бы­стро устаёт, его трудо­способность снижается, организм рас­слаб­ляется, усиливается потоотделение и даже становятся возможными «теп­ловой удар» и другие серьёзные негативные последствия для здоровья. Поэтому необходимо научить студентов эффективным и экономичным методам понижения температуры воздуха в помещении до нормативной величины в тёплый период года (ко­гда избытки теплоты поступают в помещения из окружающей среды) и в холодный период года (когда в некоторых помещениях температура может быть выше нормативной из-за разрегулировки систем отопле­ние и так называемого «перетопа», а типичное для таких случаев от­крывание форточек резко снижает относительную влажность воздуха в помещениях и оказывает вредное воздействие на организм человека, если воздух в помещении при этом не увлажняют).

Понижение температуры воздуха в помещениях по сравнению с норма­тивными величинами в холодный период года, ухудшающее условия труда в них, происходит при ра­боте всех даже пра­вильно спроектированных и смонтированных сис­тем центрального во­дяного отопления, так как в соответствии с действующими норматив­ными до­кументами они проектируются с коэффици­ентом обеспечен­ности К_об = 0,92. То есть 8% вре­мени от длительности отопительного периода температура в по­меще­ниях реально будет ниже нормативной величины.

Например, в го­роде Туле все системы центрального водяного отопления зданий за­проектированы так, что не менее 16 дней в самый холодный период года, равный 207 суткам при К_об = 0,92 [61-63], они не могут на­гре­вать воздух помещений до норматив­ных тем­ператур при расчётных параметрах и расходах теплоносителя, а из-за недостатков при их мон­таже и при длительной эксп­луатации систем (из-за образо­вания на­кипи в отопительных приборах и трубах, гидравлической раз­регули­ровки и т. д.) – и дольше. Поэтому надо нау­читься применять лучшие мировые дости­жения для улучше­ния микро­климата в помещениях в любое время и при минимуме необходимых для этого затрат средств и труда, что очень важ­но для улучшения условий труда.

Радиационная температура помещения, результирующая температура помещения и локальная асимметрия результирующей темпера­туры стали показателями микроклимата потому, что при одинаковой температуре воздуха в помещении тепло­ощущение человека из-за лу­чистого теплообмена может быть различным, особенно вблизи окон.

Кроме температуры воздуха важнейшим показателем является радиа­ционная температура, что подтверждается предписаниями, действую­щими во многих странах. В этих предписаниях одними из основных исходных данных считаются значения так называемой результирую­щей температуры, вычисляемые по различным формулам.

Влияние радиационной температуры на теплоощущение человека изучалось мно­гими учёными, некоторые из которых исследовали также роль радиационной температуры при определении степени отрицательной и положительной радиации, которая характеризует перепад радиаци­онно-конвективной температуры, и возможности снижать этот перепад в тёплый и холодный периоды года за счёт правильного размещения растений на подоконниках (что делают в ведущих странах).

Результирующая температура помещения (температура помеще­ния) – это температура окружающей среды, в которой человек путем радиации и конвекции отдаёт столько же теплоты, что и в окружаю­щей среде с одинаковой температурой воздуха и окружающих поверх­ностей при одинаковой влажности и скорости движения воздуха.

Тепловое излучение представляет собой процесс превращения теплоты в лучистую энергию и передачи её в окружающее пространство. При нагревании всех тел часть теплоты в результате атомных возмуще­ний не­избежно преобразуется в лучистую энергию. Носителями лучис­той энергии являются электромагнитные волны. Результирующий теп­ло­вой поток от излучающей среды с абсолютной температурой Т_окр к по­верхности, средняя абсолютная температура которой равна Т_с, опреде­ляется по формуле, основанной на законе Стефана-Больцмана:

, Вт /м², (1)

где σ₀ - коэффициент излучения, Вт/ (м² К⁴); ε_пр - приведенная степень черноты, зависит от свойств излучаю­щей среды и поверхности и вы­ражается в долях от степени черноты абсолютно чёрного тела, равной 1.

В формулу (1) величины абсолютных температур входят в чет­вёртой степени, поэтому и при небольших перепадах темпе­ра­тур по­верхностей тел, излучающих электромагнитные волны, вели­чины теп­ловых потоков значительны. Из-за этого и роста стои­мо­с­ти энергоре­сурсов надо уметь улучшать микрокли­мат и охрану труда в помеще­ниях и энергосбережение, умень­шая лу­чис­тый тепловой поток прежде всего через остекление окон (в тёплый и в хо­лодный периоды года).

На самочувствие человека влияет и скорость движения воздуха. По санитарным нормам сред­няя скорость движения воздуха в произ­водственных и учебных помещениях должна быть до 0,1-0,5 м/с в холод­ный период года и 0,5-1,5 м/с – в тёплый период года. Человек ощущает воздушные потоки при их скорости от 0,15 м/с. При температуре воздуха, близкой к температуре тела человека, для него прият­на и комфортна скорость движения воздуха около 5 м/с, так как при этом вырабатываемая организмом теплота отводится в окружаю­щую среду в основном за счёт конвекции и предотвращается его пере­грев.

На самочувствие и здоровье человека сильно влияет также влажность воздуха. Например, в соот­ветствии с СанПиН 2.4.2.2821-10 «Санитарно-эпидемио­логичес­кие требо­вания к условиям и организации обучения в общеобразо­вательных учреждениях» [59] в помещениях общеобразовательных уч­реждений относительная влажность воздуха должна быть 40 – 60%, а скорость движения воздуха - не более 0,1 м/с.

При относи­тельной влажности воздуха ниже этих ве­личин сухой воздух «вытяги­вает» влагу из организма человека, из де­ревянных ве­щей и растений. В результате этого даже у здоровых людей ухудшается об­щее са­мочувствие (появляются сонливость и рассеян­ность, повышает­ся утом­ляемость, снижаются работоспособность и иммунитет). Из-за того, что сухие слизистые оболочки органов дыха­ния плохо улавли­вают бакте­рии и вирусы, возникает «першение» горла, снижается спо­соб­ность бронхов к самоочищению. Это увеличивает вероятность возникно­вения респираторных инфекций и ухудшает самочув­ствие больных бронхиальной астмой, аллергиков. Кроме того, воз­никает ощущение «песка» в глазах, особенно заметное у тех, кто носит контакт­ные линзы. В сухом воздухе можно скорее замёрз­нуть, так как испа­ряющаяся с поверх­ности кожи влага охлаждает тело. Не­достаток влаги в воздухе приво­дит к сухости и раннему старе­нию кожи.

Особенно страдают от малой относительной влажности воздуха грудные и маленькие дети, для которых она должна быть не ниже 50%.

Недостаток влаги в воздухе вредно влияет на картины, деревян­ную мебель, паркетные полы (они рассыхаются, трескаются и т. д.).

Особенно низкая относительная влажность воздуха в помеще­ниях бывает зимой. В холодном воздухе мало влаги (при -15 °С абсолютная влажность насыщенного влагой воздуха, то есть его максимально возможное влагосодержание, равна 1,39 г/м³, при -10 °С - 2,14 г/м³, при -5 °С - 3,24 г/м³, при 0 °С - 4,84 г/м³, а при 20 °С - 17,29 г/м³), поэтому проветривание по­мещения снижает относительную влажность воздуха в нём даже до величин менее 25%. Следовательно, постоянное про­ветривание помещений полезно летом, весной и осенью, а зи­мой оно мо­жет вызывать хронические заболевания верхних дыхательных путей в случаях, если не принимать мер для увлажнения воздуха в них.

Поэтому для охраны здоровья людей в холодный период года надо увлажнять воз­дух в помещениях, насыщая его водя­ными пара­ми.