Задача 8 Оценка теплоощущений человека в зависимости от микроклимата в помещении

Исходные данные. Определить зависимость теплового баланса человека от определяющих метеорологических параметров воздуха (температуры воздуха, радиационной температуры, парциального давления водяных паров), тяжести выполняемых работ и термического сопротивления одежды. Исходные данные для решения задачи приведены в таблице 10.

Таблица 10- Исходные данные к решению задачи

№ варианта

Вид деятельности человека

Температура в помещении, °С

Скорость воздуха в помещении, м/с

Тип одежды работающего

	Состояние покоя		0,2	Теплая зимняя европейская одежда
	Легкие работы I-а		0,3	Теплая традиционная европейская одежда
	Легкие работы I-б		0,4	Деловой костюм
	Средней тяжести II-а		0,5	Теплая зимняя европейская одежда
	Средней тяжести II-б		0,6	Легкая летняя одежда
	Тяжелые работы III		0,6	Легкая специальная одежда
	Состояние покоя		0,5	Деловой костюм
	Легкие работы I-а		0,4	Легкая специальная одежда
	Легкие работы I-б		0,3	Легкая летняя одежда
	Средней тяжести II-а		0,2	Легкая специальная одежда
	Состояние покоя		0,3	Деловой костюм
	Легкие работы I-а		0,5	Легкая летняя одежда
	Легкие работы I-б		0,2	Легкая специальная одежда
	Средней тяжести II-а		0,3	Теплая традиционная европейская одежда
	Средней тяжести II-б		0,4	Легкая специальная одежда
	Тяжелые работы III		0,2	Теплая зимняя европейская одежда
	Состояние покоя		0,4	Шорты и рубашка
	Легкие работы I-а		0,3	Легкая специальная одежда
	Легкие работы I-б		0,4	Деловой костюм
	Средней тяжести II-а		0,3	Теплая зимняя европейская одежда

Оценка теплоощущений человека при изменении микроклимата в помещении производится по методике уравнения теплового баланса человека, предложенной О. Фагнером [27]:

(44)

(43)

(42)

(41)

(40)

,

где Dq – избыточная (недостаточная) теплота человека, которая может быть либо положительной, либо отрицательной, т.е. тело человека либо накапливает теплоту, либо отдает больше, чем получает, Вт/м²;

M – метаболическая теплота (теплопродукция, энергозатраты) человека, величина которой зависит от тяжести выполняемых работ, Вт;

F_T – расчетная площадь поверхности взрослого человека, принимается равной 1,75 м²;

h - тепловой коэффициент потерь метаболической теплоты;

q_д – скрытая теплота диффузии пара через поры кожи, Вт/м²;

q_и – скрытая теплота испарения с поверхности кожи вследствие потоотделения, Вт/м²;

q_я,д – явная теплота, отдаваемая с выдыхаемым воздухом, Вт/м²;

q_с.д – скрытая теплота, отдаваемая с выдыхаемым воздухом, Вт/м²;

q_к – теплоотдача конвекцией, Вт/м²;

q_р – теплоотдача излучением, Вт/м².

Энергозатраты человека зависят от тяжести выполняемых работ. Они могут быть определены по таблице А.7 приложения А.

а) Расчет скрытой теплоты диффузии пара через поры кожи – q_д

Для определения теплоотдачи через кожу путем диффузии используется формула Дальтона

,

где r – теплота испарения влаги при температуре тела 35°С принимается равной 2,4×10³ Дж/кг;

m – постоянная кожи при тепловом комфорте, равная 2,26×10^-9 кг/(с×м²×кПа);

P_В – парциальное давление водяных паров в воздухе, кПа, которое может быть принято 2,2-2,3 кПа.

Для определения парциального давления водяных паров, кПа, при влаговыделениях через поры используют эмпирическую формулу Банхиди

,

где t_т – средняя температура тела человека, °С, которая определяется по формуле О. Фангера: .

Подставляя вышеприведенные уравнения (42, 43) в уравнения 41, получим

б) Расчет скрытой теплоты испарения с поверхности кожи вследствие потоотделения – q_и

Теплоту, отдаваемую испарением с поверхности кожи определяют по эмпирической формуле О. Фангера:

(55)

(54)

(53)

(52)

(51)

(50)

(49)

(48)

(47)

(46)

(45)

q_и=0,49

в) Расчет скрытой теплоты, отдаваемой с выдыхаемым воздухом – q_с.д.

Скрытая теплота, отдаваемая человеком с выдыхаемым воздухом:

q_{с.д =} V _B.B (d_B.B-d_B),

где V _B.B – количество выдыхаемого воздуха, кг/с м², которое может быть найдено по эмпирической формуле

V_B.B=0,166×10^-5 .

Разность влагосодержания выдыхаемого d_B.B и вдыхаемого d_B воздуха (кг влаги /кг сухого воздуха) может быть найдена по эмпирической зависимости Тейлора

d_B.В-d_В= 0,029-0,00492×Р_В,

где Р_В – барометрическое давление, допускается принять для нормальных условий.

С учетом приведенных зависимостей скрытая теплота, отдаваемая при дыхании, определяется из выражения:

г) Расчет явной теплоты, отдаваемой с выдыхаемым воздухом – q_я.д.

Явная теплота, отдаваемая человеком с выдыхаемым воздухом:

где с_р – теплоемкость воздуха принимается равной ;

t_в.в – температура выдыхаемого воздуха (t_в.в= 34°С).

Подставляя значения с_р и t_в.в в формулу 11 получаем, что явная теплота, отдаваемая человеком с выдыхаемым воздухом определяется по формуле:

д) Расчет теплоотдачи радиацией – q_р

Расчет теплоотдачи радиацией производится по формуле Стефана – Больцмана

,

где s - постоянная Стефана – Больцмана, величина которой равна 5,67 Вт/(м²*К⁴);

e - излучающая способность одетого человека, равная 0,7;

T_од – температура поверхности одежды, К;

T_од ,

T_r – радиационная температура в рассматриваемой точке помещения, К:

T_r = t_в + 273.

е) Расчет теплоотдачи конвекцией – q_к

q_к

Для расчета коэффициента теплоперехода при свободной конвекции используют приближенную формулу:

(57)

(56)

Для вынужденной конвекции:

где w - расчетная подвижность воздуха в рабочей зоне помещения, м/с.

Термическое сопротивление R_од и значения коэффициента f_од для различных типов одежды приведены в таблице А.8 приложения А. Принято термическое сопротивление одежды измерять в «clo» (1 clo=0,155(м²*К)/Вт).

Температура на поверхности одежды определяется для стационарных условий теплообмена из условия равенства теплоотдачи тела человека q_о, количеству теплоты, проходящей через одежду, т.е.

(62)

(61)

(60)

(59)

(58)

Отсюда tод = tT – Rод×qо .

Как показано выше, для определения температуры тела человека может быть использована формула О. Фангера, т.е.

Подставив приведенные выше уравнения в исходное (Δq), находим зависимость теплового баланса человека от определяющих метеорологических параметров воздуха (температуры воздуха, радиационной температуры, парциального давления водяных паров), тяжести выполняемых работ и термического сопротивления одежды:

Для расчета S (аналог PMV) предложена следующая формула:

Для оценки теплоощущений человека по формуле О. Фангера используют ранговые оценки (PMV – ожидаемые значения теплоощущений таблица 10).

Таблица 11- Ожидаемые значения теплоощущений

Теплоощущения	S	Теплоощущения	S
Холодно	-3	Слегка тепло	+1
Прохладно	-2	Тепло	+2
Слегка прохладно	-1	Жарко	+3
Комфортно

Сделать вывод о параметрах микроклимата на исследуемом рабочем месте производственных помещений (таблица А.3 приложения А) для данного вида деятельности человека.
Приложение А

Таблица А.1 – Допустимые сопротивления заземляющего устройства в

электроустановках до и выше 1000 В

Наибольшие допустимые значения R3, Ом	Характеристика электроустановок
R3	Для электроустановок напряжением выше 1000 В и расчетным током замыкания на землю I3 > 500 А
R3=250/ I3 ≤10	Для электроустановок напряжением выше 1000 В и расчетным током замыкания на землю I3 < 500 А
R3=125/ I3 ≤10	При условии, что заземляющее устройство является общим для электроустановок напряжением до и выше 1000 В и расчетном токе замыкания на землю I3 < 500 А
R3	В электроустановках напряжением 660/380 В
R3	В электроустановках напряжением 380/220 В
R3	В электроустановках напряжением 220/127 В

Примечание: Для электроустановок напряжением до 1000 В значения R₃ даны при условии, что удельное сопротивление грунта р < 100 Ом∙м. При удельном сопротивлении фунта р > 100 Ом∙м разрешается увеличивать указанные величины в К =- р / 100, но не более чем в 10 раз.

Таблица А.2 – Приближенные значения удельных сопротивлении грунтов

Грунт	Удельное сопротивление p, Ом∙м	Грунт	Удельное сопротивление p,Ом∙м
Глина		Известняк, крупный
Суглинок		песок с валунами	1000-2000
Песок		Скала, валуны	2000-4000
Супесь		Садовая земля

Таблица А.3 – Коэффициенты использования электродов заземлителя

а/l	Коэффициенты использования вертикальных электродов , размещенных по контуру, при числе электродов в контуре:
	-	0,69	0,61	0,56	0,47	0,41	0,39	0,36
	-	0,78	0,73	0,68	0,63	0,58	0,55	0,52
	-	0,85	0,80	0,76	0,71	0,66	0,64	0,62
а/l	Коэффициенты использования горизонтального электрода , соединяющего вертикальные электроды, размещенные по контуру, при числе вертикальных электродов в контуре:
	-	0,450	0,40	0,34	0,27	0,22	0,20	0,19
	-	0,55	0,48	0,40	0,32	0,29	0,27	0,23
	-	0,70	0,64	0,56	0,45	0,39	0,36	0,33

Примечания:1) а/l – отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине,

2) коэффициенты использования электродов заземлителя получили ещё название коэффициентов взаимного экранирования.

Таблица А.4 – Приближенные значения расчетных полных сопротивлений Z_т, Ом обмоток масляных трехфазных трансформаторов

Мощ-ность трансформа-тора, кВА	Номинальное напряжение обмоток высшего напряжения, кВ	Zт, Ом, при схеме соединения обмоток	Мощность трансфор-матора, кВА	Номиналь-ное напря-жение обмоток высшего напряже-ния, кВ	Zт, Ом, при схеме соединения обмоток
Y/Yн	Yн, Y/Zн	Y/Yн	Yн, Y/Zн
	6-10	3,11	0,906		6-10	0,195	0,056
	6-10	1,949	0,562	20-35	0,191	-
	6-10	1,237	0,36		6-10	0,129	0,042
20-35	1,136	0,407	20-35	0,121	-
	6-10	0,799	0,266		6-10	0,081	0,027
20-35	0,764	0,327	20-35	0,077	0,032
	6-10	0,487	0,141		6-10	0,054	0,017
20-35	0,487	0,203	20-35	0,051	0,020
	6-10	0,312	0,090
20-35	0,305	0,130

Таблица А.5 – Активные r и внутренние индуктивные х сопротивления стальных проводников при переменном токе (50Гц), Ом/км

Размеры или диаметр сечения, мм	Сечение,мм2	r	х	r	х	r	х	r	х
при ожидаемой плотности тока в проводнике, А/мм2
0,5	1,0	1,5	2,0

Полоса прямоугольного сечения
20х4		5,24	3,14	4,20	2,52	3,48	2,09	2,97	1,78
30х4		3,66	2,20	2,91	1,75	2,38	1,43	2,04	1,22
30х5		3,38	2,03	2,56	1,54	2,08	1,25	-	-
40х4		2,80	1,68	2,24	1,34	1,81	1,09	1,54	0,92
50х4		2,28	1,37	1,79	1,07	1,45	0,87	1,24	0,74
50х5		2,10	1,26	1,60	0,96	1,28	0,77	-	-
60х5		1,77	1,06	1,34	0,80	1,08	0,65	-	-
Проводник круглого сечения
	19,63	17,0	10,2	14,4	8,65	12,4	7,45	10,7	6,4
	28,27	13,7	8,2	11,2	6,70	9,4	5,65	8,0	4,8
	50,27	9,60	5,75	7,5	4,50	6,4	3,84	5,3	3,2
	78,54	7,20	4,32	5,4	Продолжение таблицы А.5 3,24	4,2	2,52	-	-
	113,1	5,60	3,36	4,0	2,40	-	-	-	-
	150,9	4,55	2,73	3,2	1,92	-	-	-	-
	201,1	3,72	2,23	2,7	1,60	-	-	-	-

Таблица А.6 – Допустимое напряжение σ, модуль упругости Е и допустимая

величина статической осадки х_ст для различных материалов

Материалы	σ, Па	Е, Па	Е σ	хст, см
Губчатая резина	2,94			0,01 h
Мягкая резина	7,84			0,016 h
Ребристая резиновая плита с отверстиями	7,84-9,81	392,4—294,0		0,02 h
Резина средней жесткости	29,43-39,24	1952-2452,5		(0,015-0,016) h
Пробка натуральная	14,71-19,62	294-392,4		0,05 h
Плита из пробковой крошки	5,48-9,81	588,6	60-100	(0,010-0,017) h
Войлок мягкий	1,96-2,94	196,2	65-100	(0,010-0,015) h
Войлок жесткий прессованный	13,83	882,9		0,0155 h

Таблица А.7 – Теплопродукция (энергозатраты) человека

Вид деятельности	M/FT, Вт/м2	h
Состояние покоя	40 – 60
Легкие работы I – а II – б	50 – 80 80 – 100
Средней тяжести II – а II – б	100 – 130 130 – 167	0 – 0,05 0 – 0,1
Тяжелые работы III	167 – 300	0,1 – 0,2

Таблица А.8 – Значения R_од и f_од для различных типов одежды

Тип одежды	Rод , (м2*К)/Вт	fод
Шорты и рубашка	0,0155	1,5
Легкая летняя одежда	0,0775	1,1
Легкая специальная одежда	0,093	1,1
Деловой костюм	0,124 – 0,14	1,15
Деловой костюм и хлопчатобумажный плащ	0,155 – 0,2	1,15
Теплая традиционная европейская одежда	0,23	1,15 – 1,2
Теплая зимняя европейская одежда	0,23 – 0,31	1,15 – 1,2
Теплая зимняя одежда в холодных районах	0,465 – 0,62	1,3 – 1,5

Таблица А.9 – Расчетные параметры воздуха на постоянных и непостоянных рабочих местах производственных помещений

Период года	Категория работ	Оптимальные нормы	Допустимые нормы
Температура, °С	Скор. движ. возд., м/с, не более	Относит. влажность воздуха, %, не более
температура, °С	скорость движения, м/с	относительная влажность, %
на всех рабочих местах	на пост. рабочих местах	на непост. рабочих местах	на постоянных и непостоянных рабочих местах

Теплый	Легкая I-а II-б	23-25 22-24	0,1 0,2	40 – 60	На 4°С выше расчетной температуры наружного воздуха (А)	28/31 28/31	30/32 30/32	0,2 0,3
Ср. тяж. II-а II-б	21-23 20-22	0,3 0,3	27/30 27/30	29/31 29/31	0,4 0,5
Тяжелая III	18-20	0,4	26/29	28/30	0,6
Холодный и переходный периоды	Легкая I-а II-б	22-24 21-23	0,1 0,1	40 – 60	-	21-25 20-24	18-26 17-25	0,1 0,2
Ср. тяж. II-а II-б	18-20 17-19	0,2 0,2	17-23 15-24	15-24 13-23	0,3 0,4
Тяжелая III	16-18	0,3	13-19	12-20	0,5

Микуров Алексей Иванович

Кривобокова Вера Александровна

Белякин Сергей Константинович

Евтушенко Наталья Георгиевна

Попадчук Светлана Борисовна