Обеспеченность расчетных условий

Расчетные параметры микроклимата в помещении должны быть обеспечены в течение всего периода пребывания человека в нем независимо от меняющихся погодных условий. То есть кроме санитарно-гигиенических и технологических требований, определяющих необходимый уровень внутренних условий, важными являются требования, обеспечивающие надежность их поддержания, т.е. требования к их обеспеченности.

Обеспеченность расчетных условий показывает, как часто или насколько продолжительными могут быть отклонения внутренних условий от заданных расчетных.

Обеспеченность условий характеризуется коэффициентом обеспеченности k_об:

а) по числу случаев отклонения от расчетных условий в долях единицы

k_об.п = ,

где N - количество дней, суток, лет работы установки;

n – число случаев отклонений метеорологических условий в помещении от расчетных в период наибольшего похолодания.

Например, если k_об.= 0,92, это значит, что только в 8 зимах из ста в периоды наибольших похолоданий могут быть отклонения условий в помещении от расчетных.

б) по продолжительности возможных отклонений от расчетных условий

k_об.z = ,

где ∆z – продолжительность отклонения;

z – общая продолжительность работы установки.

Для различных помещений обеспеченность расчетных внутренних условий может быть различна. Например, в зданиях с кратковременным пребыванием людей обеспеченность может быть низкой, а в зданиях с жестким техническим режимом должна быть высокая обеспеченность. Т.е. для помещения должны задаваться не только расчетные внутренние условия, но и показатели степени их обеспеченности.

Для выполнения требования обеспеченности необходимо правильно выбрать теплозащитные свойства ограждений, тепловую и холодильную мощность систем обеспечения микроклимата, которые выбираются по расчетным наружным условиям. Поэтому требование обеспеченности расчетных внутренних условий должно учитываться при выборе расчетных характеристик наружного климата. Таким образом, какие наружные условия мы зададим, таким и будет конечный результат, т.е. степень обеспеченности внутренних условий.

На примере летних условий в таблице 2.2 приведены значения коэффициентов обеспеченности для помещений с различным уровнем требований к микроклимату и их связь с параметрами наружного воздуха.

Таблица 2.2 - Категорийность помещений к микроклимату

Уровень требований к микроклимату помещений	Коэффициент обеспеченнос-ти по числу случаев	Коэффициент обеспеченности по продолжительности	Возможное отклонение параметров, ч	Параметры климата по СП
Повышенные	1,0	1,0		-
Высокие	0,9	0,98		-
Средние	0,7	0,92		Б
Низкие	0,5	0,8		А

Свойства влажного воздуха

Так как носителем параметров, характеризующих микроклимат, концентраций вредностей и других показателей является воздух, то следуетзнать состав воздуха, его свойства, законы, которым он подчиняется.

В атмосферном воздухе содержится то или иное количество влаги в виде водяного пара. Такую смесь сухого воздуха с водяным паром называют влажным воздухом.

Сухая часть воздуха содержит по объему около 78% азота, примерно 21% кислорода, около 0,03% углекислоты и незначительное количество инертных газов.

Каждый газ в смеси, в том числе и пар, занимает тот же объем, что и вся смесь. Он имеет температуру смеси и находится под своим давлением, которое называется парциальным давлением.

Так как обычно расчеты, связанные с влажным воздухом, выполняются при давлениях, близких к атмосферному, и парциальное давление водяного пара в нем невелико, то с достаточной точностью можно применять к влажному воздуху все формулы, полученные для идеальных газов. Поэтому принимается, что влажный воздух подчиняется уравнению состояния идеальных газов, а также закону Дальтона.

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона-Менделеева) может быть представлено следующими уравнениями:

– для 1 кг газа; (3.1)

– для М кг газа; (3.2)

– для 1 киломоля газа , (3.3)

где р – давление газа, Н/м²;

υ – удельный объем, м³/кг;

R – удельная газовая постоянная, Дж/(кг·град);

V – объем газа, м³;

М – масса газа, кг;

V_μ – объем 1 кмоля газа, м³/кмоль;

μR – универсальная газовая постоянная 1 кмоля газа, Дж/(кмоль·град)

μR = 8314 Дж/(кмоль·град)

Т – температура газа, К.

Газовая постоянная для 1 кг газа определяется из условия

, (3.4)

где μ – масса 1 кмоля газа в кг, численно равная молекулярной массе газа.

Закон Авогадро.Объем 1 кмоля всех идеальных газов при нормальных условиях (температура 0 С, барометрическое давление 760 мм рт. ст.) равен 22,4 м /кмоль .

Пользуясь характеристическим уравнением для двух различных состояний газа, можно получить выражение для определения любого параметра при переходе из одного состояния в другое, если значения других параметров известны

; (3.5)

(3.6)

Закон Дальтона – сумма парциальных давлений газовых компонентов смеси Σp_i равна полному давлению смеси P

P=Σp_i (3.7)

Влажный воздух можно в первом приближении рассматривать как бинарную смесь, т. е. смесь, состоящую из двух компонентов:

– водяного пара (газа с молярной массой );

–сухого воздуха (условно однородного газа с молярной массой );

Тогда барометрическое давление влажного воздуха В, Па будет равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара ; т. е.

(3.8)

Водяной пар может находиться в воздухе как в перегретом, так и в насыщенном состоянии. Смесь, состоящую из сухого воздуха и перегретого водяного пара называют ненасыщенным влажным воздухом, а смесь, состоящую из сухого воздуха и насыщенного водяного пара, – насыщенным влажным воздухом.

Температура воздуха – величина, пропорциональная средней кинетической энергии движения его молекул.

Имеет место зависимость

T=t+273, (3.9) где T - абсолютная температура, К;

t – температура по шкале Цельсия, С.

Удельный объем м /кг, воздуха представляет собой объем единицы его массы. Если V - объем, м , занимаемый воздухом массой , кг, то удельный объем

(3.10)

Величина, обратная удельному объему, представляет собой массу единицы объема и называется плотностью , кг/м , т. е.

. (3.11)

Плотность сухого воздуха для нормальных условий (t=0 С, В=101325 Па)

. (3.12)

Плотность пара

. (3.13)

Зная значение плотности сухого воздуха для определенных условий (например, при t=20 С и В=101325 Па) и используя зависимость (3.5), можно определить плотность сухого воздуха при другом давлении и другой температуре Т. Уравнение (3.5) может быть записано следующим образом

отсюда . (3.14)

Подставив в (3.14) значения для стандартных условий (t=20 C; В=101325 Па), получаем значение плотности сухого воздуха для заданных давления и температуры

, (3.15)

т. е. плотность воздуха прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре.

Плотность влажного воздуха может быть определена, как плотность сухого воздуха и водяного пара, находящихся под своими парциальными давлениями

. (3.16)

Из уравнения можно сделать вывод: так как парциальное давление водяного пара величина всегда положительная, то плотность влажного воздуха меньше плотности сухого воздуха.

При обычных условиях в помещении доля второго члена уравнения (3.16), учитывающего разницу плотности влажного и сухого воздуха, при прочих равных условиях составит всего 0,75% величины .Поэтому в инженерных расчетах в тех случаях, когда качественное различие плотности сухого и влажного воздуха не имеет значения, обычно считают, что

Абсолютная влажность воздуха – это масса водяного пара, содержащегося в 1 м влажного воздуха, или (что то же) плотность пара при его парциальном давлении и температуре воздуха. ≅1,5 кг/м³.

Относительная влажность - отношение абсолютной влажности воздуха при данной температуре к максимально возможной абсолютной влажности (т. е. при полном насыщении) и данной температуре.

. (3.17)

Если температура влажного воздуха t меньше или равна температуре насыщения водяного пара t при давлении смеси, то будет равна плотности насыщенного пара при данной температуре, т. е. и значение ее определяется по таблицам насыщенного пара. Если же t_в >t_нас, при давлении смеси, то будет равна плотности перегретого водяного пара при температуре и давлении смеси. Значения в этом случае определяют из таблиц для перегретого водяного пара.

Относительная влажность может быть также представлена, как отношение парциального давления водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе р_n к парциальному давлению водяного пара при той же температуре и полном насыщении , то есть

. (3.18)

Если p_n<p_н, то пар в воздухе перегрет, а следовательно, воздух при этом не насыщен.

При данной температуре и барометрическом давлении парциальное давление водяного пара (упругость водяного пара) имеет предельное значение, сверх которого оно не может повышаться.

Парциальное давление водяного пара в состоянии насыщения называется максимальной упругостью водяных паров. Оно является функцией только температуры и может быть найдено по таблице, которая составлена экспериментальным путем, или по формуле (для области положительных температур)

. (3.19)

При обработке воздуха и изменении его свойств в вентиляционном процессе количество сухого воздуха остается неизменным, поэтому при рассмотрении тепловлажностного состояния воздуха все показатели относят к 1 кг сухой части влажного воздуха.

Влагосодержание воздуха – количество влаги (водяных паров) в г или кг, приходящейся на 1 кг сухого воздуха. Влагосодержание d, г/кг, может быть определено по формуле

, (3.20)

т. е. влагосодержание воздуха пропорционально барометрическому давлению и является функцией только парциального давления пара.

Из уравнения (3.20) следует

, (3.21)

т. е. парциальное давление пара при данном давлении является функцией только влагосодержания.

Т. к. , то , тогда . (3.22)

Фактическое содержание водяного пара в воздухе, характеризуемое влагосодержанием, не отражает степень насыщения воздуха влагой, если при этом не указана его температура. Так, если известно, что =1400 Па, то при t_в=10° влага вообще не будет находиться в парообразном состоянии.

Чтобы выразить степень насыщения воздуха водяными парами и введено понятие относительной влажности, которое характеризует состояние воздуха при данной температуре.

Если температура воздуха при данном влагосодержании повысится, то относительная влажность (из-за увеличения максимальной упругости ) понизится и наоборот.

При некоторой температуре, когда парциальное давление водяного пара p_n станет равным максимальной упругости водяного пара , относительная влажность воздуха станет равной 100%, т.е. воздух достигнет полного насыщения водяным паром. Эта температура называется температурой точки росы. При дальнейшем снижении температуры воздуха влага будет конденсироваться т.е. превращаться капельно-жидкое состояние.

Удельная теплоемкость воздуха – это количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы (удельная массовая теплоемкость) или единице объема (удельная объемная теплоемкость), или молю (удельная мольная теплоемкость), чтобы повысить температуру на градус.

Размерность соответственно или , или .

Удельные теплоемкости сухого воздуха и водяного пара в обычном для вентиляционного процесса диапазоне температур можно считать постоянными: .

Энтальпия влажного воздуха – это количество теплоты, содержащейся в нем и отнесенной к 1 кг заключенного в нем сухого воздуха, , кДж/кг.

Удельную энтальпию сухого воздуха при температуре t=0 C принимают равной нулю. При произвольном значении температуры

. (3.23)

Теплота парообразования для воды при t= 0 С равна 2500 кДж/кг, поэтому энтальпия пара во влажном воздухе при этой температуре равна . При произвольной температуре . (3.24)

Энтальпия влажного воздуха складывается из энтальпии сухой его части и энтальпии водяных паров.

= (3.25)

Если ввести характеристику теплоемкости влажного воздуха

тогда . (3.26)

В результате конвективного теплообмена воздуху передается явная теплота, температура воздуха повышается и соответственно изменяется его энтальпия.

При поступлении водяного пара (при подаче пара из внешних источников) в воздух передается теплота парообразования, и энтальпия воздуха возрастает. В данном случае это происходит вследствие изменения энтальпии водяного пара, масса которого увеличивается. Температура же воздуха остается неизменной.

При температуре влажного воздуха ниже 0⁰ его энтальпия имеет отрицательное значение.

Теплофизика зданий