CC BY
13
А. А. ЛЕТАВЕТ, А. Е. МАЛЫШЕВА, Б. М. ТВЕРСКАЯ (Москва)
Экспериментальные исследования по гигиеническим нормативам для вентиляции Дворца советов
Из метеорологической лаборатории гигиенического отдела Института гигиены труда и профзаболеваний им. В. А. Обуха
Сооружение Дворца советов выдвинуло перед различными отраслями знания, в том числе и перед санитарной техникой и гигиеной, ряд совершенно новых проблем. Одной из них является вопрос об обеспечении наилучших комфортных условий ,в Большом зале Дворца советов, рассчитанном на 22 ООО зрителей и имеющем в высоту более 100 м.
Обычно вентиляция зрительного зала осуществляется подачей свежего воздуха в верхнюю зону помещения с перепадом, обеспечивающим растворение тепловых избытков, т. е. создание так называемого холодного потолка. Этот способ подачи воздуха «сверху вниз» широко используется для вентиляции театров и кино как у нас в Союзе, так и при устройстве кондиционирующих вентиляционных установок в американской практике. Однако такая вентиляция едва ли сможет обеспечить вполне благоприятные климатические условия в каждой точке такого грандиозного помещения как Большой зал Дворца советов. Наличие огромных тепловыделений от осветительной арматуры у купола и значительных тепловыделений от людей могут вызвать при подаче холодного воздуха в верхнюю зону зала образование мощных неорганизованных потоков, направление которых, скорость и температура не поддаются расчету. В результате не исключена возможность прорыва очень холодных токов воздуха в зону пребывания людей, как это имеет место в некоторых театральных залах при этом способе подачи воздуха.
По указанным ¡причинам в данном случае принят метод равномерного распределения свежего воздуха непосредственно в зоне пребывания людей через спинки кресел амфитеатра. Этот способ предложен сан'итарно-техническим отделом управления строительства Дворца советов. К каждому зрителю через спинку впереди стоящего кресла подается необходимое количество вентиляционного воздуха таких кондиций в отношении температуры, влажности и /подвижности, которые должны обеспечить наилучшее самочувствие человека. Испорченный воздух поднимается в верхнюю зону под купол.
Естественно, что при разработке проекта вентиляции Большого зала по столь новому методу возник ряд серьезных гигиенических вопросов: какую температуру должен иметь подаваемый воздух, с какой скоростью его следует подавать, каким должно быть оптимальное направление подачи, какие необходимы объемы свежего воздуха при условии подачи его непосредственно в зону дыхания?
Первоначально в основу разработки данного проекта вентиляции были приняты следующие опорные величины: температура воздуха в зале в зоне пребывания людей зимой 20°, летом 22°; вентиляционный воздух подается с ¡перепадом в 4° (т. е. зрмой 16°, а летом 18°); относительная влажность воздуха в помещении 50—60%,• объем подаваемого воздуха 40 м3 на 1 человека. Эти нормативы, однако, были преимущественно умозрительными, так как не имели за собой ни экспериментальных обоснований, ни сколько-нибудь значительного практического опыта.
Для того чтобы дать ответ на поставленные выше вопросы, потребовались обширные экспериментальные исследования, которые проводились в Институте гигиены труда и профзаболеваний им. Обуха в 1939—1940 гг.
В камере искусственного климата института была создана экспериментальная установка, состоящая из 9 кресел, в точности имитирующая предполагаемые проектом условия подачи воздуха через полые спинки кресел и являющаяся как бы небольшим «фрагментом» амфитеатра Большого зала Дворца советов (рис. 1). Кондиционирующая установка экспериментальной камеры обеспечивала подачу воздуха с требуемыми параметрами температуры и влажности при соответствующих объемах и скоростях подаваемого воздуха.
Рис. 1
Для измерения температуры воздуха и стен в камере, а также температуры кожи испытуемых была сконструирована специальная термоэлектрическая измерительная установка, состоящая из 27 термопар. Благодаря ничтожной инерции применяемой измерительной аппаратуры измерение температуры в 27 точках занимало всего 5 минут и могло вестись одним лаборантом.
Исследованиям одновременно подвергались 9 человек. При этом методами оценки комфортных условий служили измерения динамики кожных температур и субъективная 'Оценка с регистрацией ощущений по семибалльной шкале: 1 — очень холодно, 2 — холодно, 3 — приятно прохладно, 4 — комфортабельно, 5 — приятно тепло, 6 — жарко и 7 — очень жарко.
Длительность большинства опытов была 3 часа. Через каждые 30 минут регистрировалась на специальной карточке субъективная оценка данного метеорологического комплекса, одновременно производились замеры кожной температуры (на лбу), температуры подаваемого воздуха и температуры воздуха в окружении испытуемого («воздушная одежда»), 2 раза в течение опыта производились замеры влажности (психрометром Ассманха).
Всего было проведено свыше 300 опытов с различными сочетаниями метеорологических компонентов на 25 мужчинах и 25 женщинах. В результате мы располагаем обширным материалом, заклю-
чающим в себе свыше 10 ООО субъективных оценок метеорологических условий, примерно столько же промеров кожных температур и т. д.
Направление воздушного потока. Одним из основных вопросов явилось направление воздушного1 потока.
В первом варианте устройства кресел выпуск воздуха осуществлялся через отверстие размером 4 X 45 см в задней стенке спинки кресла. Выпускное отверстие находилось в 57 см ¡над уровнем пола данного ряда амфитеатра (т. е. немного выше колен сидящего в кресле человека среднего роста). Выпускное отверстие было закрыто лишь сеткой и не имело никаких приспособлений для направления воздушного потока. Скорость подаваемого воздуха у выпускного отверстия составляла 0,8 м/сек, в области туловища 0,3 м/сек, в области колен от 0,3 до 0,4 м/сек и в области лица — менее 0,05 м/сек.
В данных условиях подачи воздуха при температуре подаваемого воздуха в 18—-19° было получено 80% оценок «прохладно» и «холодно»; при температуре подаваемого воздуха в 20—21° было 50% ответов «холодно». Весьма характерны замечания испытуемых о местных ощущениях: «холодно в области колен», «неприятное ощущение в области колен», «невольно хочется покинуть место», «сильно охлаждаются руки и ноги» и т. д. Такие замечания о местном неприятном ощущении холода сохраняются даже при подаче воздуха с температурой в 22°.
Проведенные опыты наглядно показали непригодность такой конструкции выпуска приточного воздуха через спинки кресел, -при которой наибольшие скорости воздушного потока создавались в области колен и нижней части туловища.
В новой серии опытов выпускное отверстие было поднято на 8 см и при помощи направляющих лопаток, установленных под углом в 50° по отношению к вертикали, воздух направлялся в зону лица. Скорость подачи у выпускного . отверстия оставалась попрежнему 0,8 м/сек, но соотношения скоростей на различных участках тела теперь уже были иными: у лица 0,3 м/сек, на туловище от 0,15 до 0,2 м/сек, у колен — ниже 0,05 м/сек.
Результаты изменения направления подачи воздуха сказались немедленно: совершенно исчезли жалобы на неприятные местные ощущения, произошел значительный сдвиг в оценке субъективных ощу-. щений в сторону комфорта.
Таким образом, направление подачи воздуха в зону лица дает вполне удовлетворительные результаты. Однако скорость подачи воздуха в 0,8 м/сек у выпуска оказалась чрезмерной: испытуемые отмечали, что .подвижность воздуха ощущается слишком сильно и действует неприятно, беспокоит.
Следующая серия опытов имела целью решение вопроса об он-тимальных скоростях воздушного потока.
Скорость движения воздуха. Роль движения воздуха в создании комфортных метеорологических условий определяется прежде всего охлаждающим действием воздушного потока. Однако большое значение имеет также действие движущегося воздуха на кожно-рецепторную сферу. Ощущение на открытых частях тела в течение длительного времени интенсивного движения воздуха, если даже оно и ¡не вызывает чрезмерного охлаждения, само по себе неприятно; ' такое состояние независимо от общего теплоощущения не совместимо с понятием «комфорт».
Приходится серьезно считаться и с неизбежно создающейся подвижностью воздуха в непосредственном окружении человека. С целью установления оптимальных величин этой подвижности на испытуемых
"была проведена серия опытов по определению степени ощутимости движения воздуха при разных его скоростях (кожная рецепция).
Для характеристики ощущения движения воздуха на лице была принята следующая шкала: 1—не ощутимо, 2 — ощутимо слабо, 3— ощутимо заметно, 4 — ощутимо сильно.
В табл. 1 показан процент испытуемых, давших оценку этим условиям подвижности воздуха.
Таблица! 1
Скорость движения воздуха в зоне лица (в м/сек)
Не ощутимо
Ощутимо слабо
Ощутимо заметно
Ощутимо сильно
Как видно из таблицы, скорости в зоне лица в 0,3—0,4 м/сек являются чрезмерными, так как у 50—80% испытуемых создают беспокойное ощущение. Скорость движения воздуха в зоне лица не должна превышать 0,15—0,2 м/сек; тогда оно либо вовсе не ощущается, либо оказывается едва .заметным. Соответственно таким скоростям в зоне лица при данной конструкции подачи воздуха скорость воздушного потока у выпуска не должна превышать 0,5— 0,6 м/сек.
Зоны к о м ф О' р т а. Серия з,к сп ер и мента льн ых и се л ед овин и й по установлению зимних и летних зон комфорта при описанном способе подачи воздуха была наиболее обширной.
Как известно, ощущение комфорта в закрытых помещениях определяется комплексным действием четырех микроклиматических компонентов: температуры воздуха, его влажности, подвижности и температуры стен (радиационный компонент). Опыты проводились при различных вариантах температуры и подвижности воздуха. Относительная влажность воздуха поддерживалась постоянной на уровне порядка 50—60%. Температура стен к началу каждого опыта выравнивалась с температурой воздуха, но к концу трехчасового опыта, как правило, повышалась на 0,5—1,0°.
Очень важным методическим вопросом оказалось в данных условиях измерение температуры воздуха. Бессмысленно было бы изме-
Рис. 2
0,4 0,3 0,2 0,15 0,1-0,12
рять ее в какой-либо «нейтральной» точке, вне зоны непосредственного пребывания испытуемых и к полученным показаниям относить теплоощущения испытуемых. Так как теплоощущение человека, помимо радиационного обмена с окружающими его ограждениями, определяется конвекционным теплообменом с его ближайшим воздушным окружением, то было признано наиболее целесообразным измерять температуру ближайшего воздушного слоя, окружающего испытуемых («воздушная одежда»). Для этого вокруг испытуемого, сидящего в кресле, занимающем центральное положение в опытной установке (№ 5), на тонкой проволочной рамке было размещено 13 термопар, охватывавших верхнюю часть туловища (рис. 2). Минимальное расстояние термопары от человека составляло 10—15 см, максимальное 1—1,5 м. Средняя температура воздуха'во всех этих точках давала представление о воздушной среде, окружавшей испытуемого. Часть термопар располагалась в направлении воздушного потока; по их показаниям можно было судить о том, как меняется температура воздушной струи по выходе ее из кресла при ассимиляции тепловыделений человека. Таким образом, примененная методика давала возможность определить реальный перепад между температурой воздуха в момент его выпуока из кресла и температурой воздуха в окружении сидящего человека.
Первые же опыты по изучению температурного перепада между подаваемым воздухом и воздухом в окружении человека дали неожиданные результаты, имеющие принципиальное значение. Дальнейшие многочисленные эксперименты полностью их подтвердили. Величина температурного перепада при подаче через кресла 20 м3 воздуха на человека не превышала 2,0°.
В табл. 2 приведены сводные результаты этих опытов при различных температурах.
Таблица 2
Температура воздуха в камере до опыта Температура подаваемого воздуха Температура «воздушной одежды» в конце опыта Перепад
20,5° 20,0° 21,9° 1,9°
21,5° 21,0° 23,0° 2,0°
22,3° 22,0° 23,6° 1,6°
Элементарный подсчет ассимилированных при указанных условиях конвекционных тепловыделений человека может быть произведен по формуле:
^¿•уесг-г,),
где — количество больших калорий, ассимилированных данным объемом воздуха, Ь — объем подаваемого воздуха, у — вес 1 м3 воздуха при данной температуре, с — теплоемкость воздуха, t — температура воздуха в окружении человека и ¿1 — температура подаваемого воздуха.
При температуре подаваемого воздуха в 20°, объеме воздуха в 20 м3 и перепаде в 2,0° количество ассимилированного тепла
"И^ = 20- 1,2 -0,24-2,0= 11,5 больших калорий.
Чем объяснить столь ничтожную величину температурного перепада и соответствующую ничтожную величину ассимилированных конвекционных тепловыделений человека? По новейшим американским экспериментальным исследованиям, проведенным методом пар-
циальной калориметрии (Уинслоу и Херривгтон, Харди и Дюбуа), величины теплопотерь человека конвекцией резко уступают радиационным теплопотерям. Так, например, Харди и Дюбуа1 устанавливают для лежащего обнаженного человека при температуре 26° следующее распределение теплопотерь:
Теплопотери радиацией 45,7 кал.............. 58%
» конвекцией 11,0 ».............. 15»/о
» испарением 20,6 ».............. 27°/о
77,3 кал............... 100%
Таким образом, величина конвекционных теплопотерь, полученная Харди и Дюбуа (правда, в несколько иных условиях эксперимента), довольно близко подходит к полученной нами на основании изучения величин температурного перепада между подаваемым воздухом и воздухом в окружении человека.
Совершенно очевидно, что воздух, подаваемый непосредственно в зону пребывания человека, как это имело место в наших опытах, ассимилирует не все тепловыделения в виде явного тепла, а только конвекционные тепловыделения. Радиационные же тепловыделения поглощаются стенами, температура которых при огромной их теплоемкости повышается за время опыта лишь незначительно. Следовательно, обычно применяемая при общей подаче воздуха «сверху вниз» методика расчета температуры приточного воздуха и соответствующего температурного перепада, ориентирующаяся на ассимиляцию всех тепловыделений человека, не применима для условий подачи воздуха непосредственно в зону пребывания человека.
По первоначальной наметке проекта вентиляции Большого зала, как уже было сказано, предполагалось подавать для зимнего времени воздух с температурой в 16°, ожидая получить в зоне пребывания людей температуру 20°. Как показали наши исследования, при подаче 20 м3 воздуха, нагретого до 16°, температура воздуха в зоне пребывания людей не превышала бы 17,5—18° (перепад 1,5—2°), а при подаче 40 м3 не превышала бы даже 17°. Это не может обеспечить даже минимальных условий комфорта и безусловно вызовет жалобы на резкое переохлаждение.
Для решения вопроса об оптимальных температурах подаваемого в зимнее время года воздуха (зонах комфорта) было проведено 87 опытов с воздухом от 16 до 24° при скорости воздушного потока на выпуске 0,5 и 0,3 м/сек (в зоне лица—'соответственно 0,15 и 0,06 м/сек). Результаты этих, опытов показаны на диаграмме (рис. 3), из которой видно, что температура подаваемого воздуха в 16° (как первоначально предполагалось) независимо от скорости подачи создает условия резкого дискомфорта (от 76 до 85% всех оценок).
Если ориентироваться на те метеорологические режимы,, которые более чем в 50% всех ответов оцениваются как вполне комфортабельные, то зоны комфорта можно создать при следующих условиях:
а) для скорости воздушного потока у выпуска в 0,5 м/сек при температуре подаваемого воздуха от 20 до 23°; оптимум—-22° при 71% комфортных оценок;
б) для скорости воздушного потока у выпуска в 0,3 м/сек при температуре подаваемого воздуха от 18 до 22°; оптимум — 21° при 74% комфортных оценок.
Подача воздуха с температурой, превышающей 22° (при скорости 0,3 м/сек) и 23° (при скорости 0,5 м/сек), создает метеорологические условия, оцениваемые как дискомфортные уже вследствие перегревания. Как уже выше было указано, температура воздуха в непосред-
1 Journal of Nutrition, V, 1938 г.
2 Гигиена и санитария, № 12
ственном окружении ¡испытуемых превышала температуру подаваемого воздуха в среднем на 2°; следовательно, оптимуму подаваемого воздуха в 21° соответствовала температура «воздушной одежды» в 23°.
Исследования (72 опыта) показали, что летние зоны комфорта выше зимних на 1,5—2°. При этом скорость подачи воздуха в 1 м/сек, которая оказалась совершенно непригодной для зимнего времени, дала вполне удовлетворительные результаты при температурах подачи в 23—25°,
У=0.5 м/с уВыпуска д. 12—0. и м/с 6 зоне лица
Температура Воздуха
V= 0.з м/с у Выпуска 0.05—0.07 м/с в зоне та
штж Pili lililí 15% |
wm IIIII *% 1
Р! 11№ Ы lili 47% ы
11 11«И ■I 53% Ы
.......................... 111 49%
1И111 71% WÁ
61%
Ж
64%
21° 22° 23° 24-°
ii
74%
ш
54%
ШШж
34%
а Очень i холодно
I Холодно•
Условные оВозначения
[~] Комфорт.
1 Приятно прохладно
а Приятно 1 тепло
9.Жарко
Рис. 3. Субъективные ощущения испытуемых при разных режимах (зимний сезон)
Ощущению комфорта в наших опытах соответствовала кожная температура на лбу 33—35°. При температуре кожи лба ниже 32° преобладают ощущения «прохладно» и «холодно», а при температуре выше 35° — ощущения «тепло» и «жарко».
Объем подаваемого воздуха. Исследования для установления оптимальных объемов подаваемого воздуха были проведены с объемами в 40, 30, 20, 15 и 10 м3 на 1 человека при постоянной температуре этого воздуха в 20°. Скорости воздушного потока при выпуске соответствующим образом менялись в пределах от 1,0 м/сек до 0,26 м/сек.
Объему подаваемого воздуха в 40 м3 соответствовала в данной серии опытов скорость у выпуска в 1 м/сек и в зоне лица испытуемых в 0,35—0,4 м/сек, -ощущавшаяся (о чем уже было сказано) в 80%> ответов как «сильная» или «заметная». Подаваемый воздух с температурой в 23° в 53% всех ответов оценивался как холодный или прохладный. Так как возможности увеличения действующего выпускного отверстия для уменьшения скоростей при данной конструкции кресел весьма ограничены, то, очевидно, приходится отказаться от намеченного в первоначальном проекте объема ¡подаваемого воздуха в 40 м3 на 1 человека.
Объем подаваемого воздуха в 30 м3 (скорость 0,7 м/сек у выхода и 0,25—0,3 м/сек в зоне лица) дал лучшие результаты, и все же в данном случае движение воздуха чувствуется слишком сильно и при длительном действии может быть неприятным, может беспокоить.
Объем в 20 м3 (скорость 0,46 м/сек у выпуска и 0,18—0,2 м/сек у лица) вызвал уже только у 35% испытуемых ощущение «заметного» и «сильного» движения воздуха и только у 27%—оценку «про-
хладно»; в 68% ответов эти условия оцениваются как комфортабельные.
При подаче 15 м3 на 1 человека (скорость 0,38 м/сек у .выпуска и 0,15—0,17 м/сек у лица) никто уже не считал движение воздуха «сильным» и «заметным»; в 56°/о случаев оно не ощущается вовсе, а в 44% чувствуется очень слабо. При температуре подаваемого воздуха в 20° в 86% всех ответов дается оценка «комфортабельно».
При подаче 10 м3 на 1 человека (скорость у выпуска 0,26 м/сек, у лица 0,1—0,12 м/сек) уже 71% испытуемых вовсе не ощущает движения воздуха; субъективная оценка теплоощущений в 22% ответов определяется как «тепло», а оценка «комфортабельно» уменьшается до 68%.
Таким образом, наилучшие результаты при температуре подаваемого воздуха в 20° при данной конструкции выпуска обеспечивает объем подаваемого воздуха в 15 м3 на 1 человека. Объемы в 40 и 30 м3 не приемлемы, так как вызывают чрезмерную подвижность воздуха.
Были произведены также исследования на концентрацию С02 в зоне дыхания испытуемых и в удаляемом из камеры воздухе.
При среднем содержании С02 в подаваемом воздухе 0,04% в зоне пребывания людей были найдены следующие концентрации:
При подаче 20 м3 на 1 человека............ 0,046°/о
» » 15 м3 на 1 » ............ 0,064%
» » 10 м3 на 1 » ............ 0,069%
Таким образом, даже при минимальном из испытанных объемов воздуха (10 м3) и подаче свежего воздуха непосредственно в зону пребывания человека содержание С02 в воздухе в зоне дыхания не выходит за пределы обычно принятых гигиенических нормативов. В воздухе, удаляемом из камеры, концентрации С02 достигали 0,08— 0,14%, что согласуется с теоретическими расчетами'.
Выводы
1. При системе вентиляции Большого зала Дворца советов с подачей воздуха непосредственно в зону пребывания людей через спинки кресел оптимальной является подача воздуха в зону лица сидящего, что соответствует при данном типе кресел углу в 50°, составляемому осью потока с вертикалью.
2. Оптимальные скорости подаваемого воздуха (при соответствующей температуре) лежат в пределах 0,25—0,5 м/сек, что соответствует скоростям в зоне лица в 0,06—0,18 м/сек.
3. Оптимальной температурой подаваемого воздуха для зимнего времени является 21°, но достаточно благоприятные условия могут быть получены в диапазоне от 18 до 23°. В летнее время температура подаваемого воздуха может быть соответственно повышена на 2°; при этом значительным охлаждающим фактором может служить подвижность воздуха (до 0,3—0,4 м/сек в зоне лица). Максимальный температурный перепад между воздухом, выходящим из кресел, и воздухом, непосредственно окружающим человека, не может превышать 2°.
4. Объем подаваемого свежего воздуха в 15—20 м3 на 1 человека при данных условиях подачи является вполне достаточным для обеспечения комфортных условий.
5. Так как опыты проводились в условиях экспериментальной камеры объемом всего в 100 м3 с большой относительной поверхностью ограждений (последние, несомненно, играли весьма существенную роль в теплообмене человека с окружающей средой), представляется весьма желательным проведение соответствующих проверочных испытаний в помещениях большого объема.
о*
