CC BY
19
УДК 697.9
Обоснование параметра результирующей комфортной температуры
Ю. Н. САНКИНА1, д-р техн. наук А. Б. СУЛИН1, канд. техн. наук Т. В. РЯБОВА1, канд. техн. наук М. ДЕЙМИ-ДАШТЕБАЯЗ2, канд. техн. наук В. И. ЛЫСЕВ1
1 Университет ИТМО 2Университет Хакима Сабзевари, Иран E-mail: [email protected]
Специалисты в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, с целью измерения и сравнения тепловых условий, применяют индексы теплового комфорта. В данной работе приведены наиболее часто используемые индексы теплового комфорта, а также выполнено уточнение параметра результирующей температуры с использованием матриц изокомфортных параметров, разработанных в результате решения, задачи обеспечения заданного уровня теплового комфорта в соответствии с методикой, предложенной Фангером и нормативно закрепленной в стандарте ISO 7730. С помощью матриц изокомфортных параметров были проверены предложенные межгосударственным стандартом ГОСТ 30494-2011 весовые коэффициенты. В данной статье приведены сравнительные таблицы и графики, которые доказывают, что предложенные международным стандартом весовые коэффициенты недостаточно точны. Опираясь на физический смысл параметра результирующей температуры, было сделано предположение, что для каждой величины подвижности воздуха предполагалось получить одинаковые значения результирующей комфортной температуры. В ходе анализа полученных данных было выявлено, что среднеквадратическое отклонение результирующей комфортной температуры составляет величину, достигающую 0,5 °С. Этот факт доказывает, что для получения более точных результатов комфортной температуры следует использовать уточненные весовые коэффициенты. В результате исследования была предложена новая зависимость и введено новое понятие результирующей комфортной температуры. Полученная математическая зависимость позволяет с высокой точностью рассчитать результирующую комфортную температуру, учитывающую комфортное сочетание таких параметров, как температура воздуха и средняя радиационная температура в зависимости от величины подвижности воздуха в помещении. Ключевые слова: результирующая температура, матрицы изокомфортных параметров, подвижность воздуха, комфортные параметры.
Информация о статье:
Поступила в редакцию 09.12.2020, принята к печати 25.01.2021 DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-28-33 Язык статьи — русский Для цитирования:
Санкина Ю. Н., Сулин А. Б., Рябова Т. В., Дейми-Даштебаяз М., Лысев В. И. Обоснование параметра результирующей комфортной температуры // Вестник Международной академии холода. 2021. № 1. С. 28-33. DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-28-33
Justification of the resulting comfortable temperature parameter
Iu. N. SANKINA1, D. Sc. A. B. SULIN1, Ph. D. T. V. RYABOVA1, Ph. D. M. DEYMI-DASHTEBAYAZ2, Ph. D. V. I. LYSEV1
1ITMO University 2Hakim Sabzevari University, Iran E-mail: [email protected]
Heating, ventilation, and air conditioning professionals use thermal comfort indices to measure and compare thermal conditions. In this paper, indices of thermal comfortfrequently used are given, and the parameter of the resulting temperature is refined using matrices of isocomfortable parameters which developed as a result of solving the problem of ensuring a given level of thermal comfort in accordance with the method proposed by Fanger and standardized in the ISO 7730 standard. The weight coefficients proposed by 30494-2011 State Standard were tested using the matrices of isocomfortable parameters. This article provides comparative tables and graphs, whcih prove that the weighting factors proposed by the international standard are not accurate enough. Based on the physical meaning of the parameter of the resulting temperature it was assumed that, for each value of air mobility, the same values of the resulting comfortable temperature were supposed to obtain. During the analysis of the data obtained, it was revealed that the standard deviation of the resulting comfortable temperature is a value of up to 0.5 ° C. This fact proves that more accurate weightingfactors should be used to obtain more
accurate comfort temperature results. As a result of the study, a new mathematical dependence was proposed and a new concept of the resulting comfortable temperature was introduced. The obtained mathematical dependence allows high accuracy in calculating the resulting comfortable temperature taking into account the comfortable combination of such parameters as air temperature and average radiation temperature, depending on the amount of air velocity in the room. Keywords: resulting temperature, matrices of isocomfortable parameters, air velocity, comfortable parameters.
Article info:
Received 09/12/2020, accepted 25/01/2021 DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-28-33 Article in Russian For citation:
Sankina Iu. N., Sulin A. B., Ryabova T. V, Deymi-Dashtebayaz M., Lysev V I. Justification of the resulting comfortable temperature parameter. Journal of International Academy of Refrigeration. 2021. No 1. p. 28-33. DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-28-33
Введение
Основная задача систем жизнеобеспечения — это создание комфортных параметров микроклимата, которые будут гарантировать благоприятные условия для работоспособности человека. Для измерения и сравнения тепловых условий используются индексы теплового комфорта. Одним из таких индексов является эквивалентная температура, разработанная специалистами американского общества инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха ASHRAE. Согласно определению, «эквивалентная температура — это температура воображаемого помещения со средней температурой излучения, равной температуре воздуха при температуре неподвижного воздуха, в котором человек имеет тот же теплообмен через конвекцию и излучение, как в реальных условиях» [1]. С помощью данного параметра принято производить учет влияния теплопотерь от испарения из организма человека [2, 3, 4].
Одним из главных преимуществ эквивалентной температуры является то, что она выражает эффекты комбинированных термических воздействий при дифференциальной оценке климатических условий. Однако, для близких к тепловой нейтральности условий (± 2 MTV) и в рамках ограниченных вариаций климатических факторов значение эквивалентной температуры всегда представляет собой один и тот же «субъективный» отклик, независящий от вида комбинаций процессов теплообмена [5, 6].
Данный параметр основан на экспериментальных исследованиях, в которых субъекты перемещались между двумя комнатами с различными комбинациями климатических факторов [7]. Опыт проводился до тех пор, пока в обеих комнатах не фиксировались идентичные теплоощущения.
Изначально индекс эквивалентной температуры определялся как «температура в стандартной среде (rh= 100%, ta = Jr, v < 0,15 м/с), которая приводит к тем же теплоощущениям, что и в реальной среде» [8]. Проблема использования данного определения заключается в том, что оно не учитывает влияния излучения.
В связи с этим, чтобы учесть излучение, А. Missenard предложил новый индекс — результирующая температура [10]. Результирующая температура рассчитывается по уравнению для эффективной температуры [9], но с учетом радиационного члена. Радиационный член учитывается с помощью функции «фиктивной скорости воздуха» вместо реальной скорости воздуха. Также существу-
ет другой метод, заключающийся в замене температуры сухого термометра на радиационно-конвективную температуру. Полученный индекс называется корректированной эффективной температурой [11].
Специалисты в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха при проектировании систем жизнеобеспечения используют положения межгосударственного стандарта ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». Одним из параметров микроклимата, регулируемых данным нормативным документом, является результирующая температура.
Результирующая температура — это комплексный показатель, учитывающий тепловое влияние воздуха на состояние человека и средней температуры ограждающих конструкций помещения [12]. Результирующая температура является основным параметром для создания эффективных систем вентиляции [13].
В данном обзоре выполнен анализ методики расчета параметра результирующей температуры с помощью матриц изокомфортных параметров, с целью проверки правомерности использования весовых коэффициентов, приведенных в межгосударственном стандарте.
Объект исследования
В межгосударственном стандарте ГОСТ 30494-2011 (Приложение А) предложена методика для расчета результирующей температуры. Результирующая температура учитывает значения температуры воздуха и средней радиационной температуры помещения с определенными весовыми коэффициентами в зависимости от подвижности воздуха [12]:
— при подвижности воздуха до 0,2 м/с:
t +1 t _ _р_г_.
— при подвижности воздуха от 0,2 до 0,6 м/с:
tSu = 0,6^ + 0,4^,
где 1р — температура воздуха в помещении, °С; 1Г — радиационная температура помещения, °С.
Помимо весовых коэффициентов стандарт регламентирует порядок и условия измерения составляющих температур:
«Измерения температуры воздуха проводят в центре помещения на высоте 0,6 м от поверхности пола для по-
мещений с пребыванием людей в положении сидя и на высоте 1,1 м в помещениях с пребыванием людей в положении стоя либо по температурам окружающих поверхностей ограждений (см. приложение А), либо по данным измерений шаровым термометром (см. приложение Б)» [12].
В ходе выполнения проверки правомерности использования данных весовых коэффициентов применялись разработанные авторами матрицы изокомфортных параметров для трех классов помещений (табл. 1) согласно стандарту ГОСТ Р ИСО 7730-2009 «Эргономика термальной среды. Аналитическое определение и интерпретация комфортности теплового режима с использованием расчета показателей PMV и PPD и критериев локального теплового комфорта» [14, 15].
Таблица 1
Три класса помещений по уровню теплового комфорта в соответствии с ГОСТ Р ИСО 7730-2009
Table 1
Three classes of rooms in terms of the thermal comfort
level according to 7730-2009 State Standard
Класс комфортности PMV PPD
A - 0,2 < PMV < +0,2 < б%
B - 0,5 < PMV < +0,5 < 10%
C - 0,7 < PMV < +0,7 < 15%
В каждой ячейке матрицы приведена температура воздуха, которая с учетом значения радиационной температуры и подвижности воздуха обеспечивает заданный уровень теплового комфорта [16]. Логично предположить, что применение данных значений температур при учете подвижности воздуха должна привести к одному значению результирующей температуры, которая по ее физическому смыслу соответствует эквивалентному тепловому состоянию человека.
В табл. 2 приведены значения одной из матриц изокомфортных параметров, на основе которых производился анализ правомерности использования весовых коэффициентов с помощью программы Excel. Результаты вычислений приведены в табл. 3.
В процессе исследования было доказано, что предложенные международным стандартом весовые коэффициенты не достаточно точны. Исходя из физического
смысла результирующей температуры, для каждой величины подвижности воздуха предполагалось получить одинаковые значения результирующей комфортной температуры. Из приведенных выше данных табл. 2 и табл. 3 можно увидеть, что среднеквадратическое отклонение результирующей комфортной температуры составляет величину, достигающую 0,5 °С. Этот факт указывает на то, что приведенные в стандарте весовые коэффициенты недостаточно точно позволяют рассчитать параметр результирующей температуры и требуют уточнения.
Результаты исследования
По температуре воздуха в помещении и по средней радиационной температуре ограждений помещения с помощью программы Excel и метода последовательных приближений были рассчитаны и подобраны новые весовые коэффициенты для каждой величины подвижности воздуха:
— при подвижности воздуха 0,1 м/с:
tsu = 0,55^ + 0,45tr;
— при подвижности воздуха 0,2 м/с:
tsu = 0,61^ + 0,39tr;
— при подвижности воздуха 0,3 м/с:
tsu = 0,65tp + 0,35tr;
— при подвижности воздуха 0,4 м/с:
tsu = 0,68tp + 0,32tr;
— при подвижности воздуха 0,5 м/с:
tsu = 0,1 tp + 0,3tr.
Применив данные формулы с помощью программы Ехсе1, были высчитаны и получены следующие зависимости температуры воздуха от подвижности и радиационной разности температур от -6 до 6 (табл. 4).
Предложенные в ходе исследования новые весовые коэффициенты были аппроксимированы в виде полинома второго порядка функции от подвижности воздуха, тем самым была получена новая зависимость для нахождения значения параметра результирующей температуры:
PMV=-0,49; PPD=10%; 1,3 clo; ф=50%; категория работ 1б (1,3 met; 76 Вт/м2)
0,05 0,1 0,15 0,2
-4 17,3б 17,55 17,95 18,23
-2 1б,54 1б,б7 17,15 17,49
0 15,73 15,78 1б,35 1б,74
2 14,93 14,93 15,53 15,99
4 14,13 14,13 14,71 15,23
Таблица 2
Зависимость температуры воздуха от подвижности и радиационной разности температур для условий PMV= -0,49, PPD=10%, термическое сопротивление одежды 1,3 clo, —=ta, °С,
категория работы 1б (76 Вт/м2; 1,3 met)
Table 2
Dependence of air temperature on flexibility and radiant difference of temperatures under the following conditions: PMV= -0.49, PPD=10%, thermal resistance of clothes — 1.3 clo, —=ta,°C,
job class — 1b (76 W/m2; 1.3 met)
Таблица 3
Зависимость температуры воздуха от подвижности и радиационной разности температур для условий PMV= -0,49, PPD=10%, термическое сопротивление одежды 1,3 clo, Tr=ta)°C,
категория работы 1б (76 Вт/м2; 1,3 met)
Table 3
Dependence of air temperature on flexibility and radiant difference of temperatures under the following conditions: PMV= -0.49, PPD=10%, thermal resistance of clothes — 1.3 clo, Tr=ta,°C,
job class — 1b (76 W/m2; 1.3 met)
PMV= -0,49; PPD=10%; 1,3 clo; ф=50%; категория работ 1б (1,3 met; 76 Вт/м2)
0,05 0,1 0,15 0,2
-4 15,36 15,55 15,95 16,63
-2 15,54 15,67 16,15 16,69
0 15,73 15,78 16,35 16,74
2 15,93 15,93 16,53 16,79
4 16,13 16,13 16,71 16,83
^ср. ариф. зн. 15,738 15,812 16,338 16,736
Ср. квад. откл. 0,305238 0,226318 0,300533 0,079246
Таблица 4
Зависимость температуры воздуха от подвижности и радиационной разности температур для условий PMV= -0,50, PPD = 10%, термическое сопротивление одежды 1,3 clo, категория работы 1б (76 Вт/м2; 1,3 met)
Table 4
Dependence of air temperature on flexibility and radiant difference of temperatures under the following conditions: PMV= -0.50, PPD = 10 %, thermal resistance of clothes — 1.3 clo, job class — 1b (76 W/m2; 1.3 met)
PMV=-0,50; PPD=10%; 1,3 clo; ф=50%; категория работ 1б (1,3 met; 76 Вт/м2)
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
-6 18,47 18,95 19,29 19,46 19,65
-4 17,60 18,25 18,61 18,88 19,07
-2 16,69 17,51 17,98 18,30 18,54
0 15,78 16,74 17,30 17,66 17,94
2 14,95 16,01 16,65 17,07 17,41
4 14,11 15,25 15,98 16,46 16,82
6 13,34 14,50 15,26 15,81 16,21
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
-6 15,77 16,61 17,19 17,54 17,85
-4 15,8 16,69 17,21 17,6 17,87
-2 15,79 16,73 17,28 17,66 17,94
0 15,78 16,74 17,3 17,66 17,94
2 15,85 16,79 17,35 17,71 18,01
4 15,91 16,81 17,38 17,74 18,02
6 16,04 16,84 17,36 17,73 18,01
^ср.ариф.зн. 15,84857 16,74429 17,29571 17,66286 17,94857
Ср. квад. откл. 0,097541 0,078285 0,07413 0,072736 0,069144
^=(-0,64Г2 + 0,76Г + 0,48Х1ОМ + + (0,64^ + 0,76^ + 0,52)^.
График на рис. 1 показывает, что значения весовых коэффициентов, приведенных в ГОСТ 30494-2011, и уточненных весовых коэффициентов совпадают лишь при подвижности воздуха 0,2 м/с.
Обсуждение результатов
После уточнения весовых коэффициентов для каждой величины подвижности воздуха и для температуры воздуха и средней радиационной температуры, оценка величины среднего квадратического отклонения результирующей температуры показала, что погрешность рас-
чета снизилось практически на порядок. Это доказывает, что приведенные в межгосударственном стандарте весовые коэффициенты позволяли вычислять результирующую температуру с недостаточной точностью.
На рис. 2 показаны результаты погрешности расчета значения результирующей температуры в зависимости от величины подвижности воздуха по весовым коэффициентам, указанным в межгосударственном стандарте и по новым уточненным весовым коэффициентам.
Выводы
В результате выполненного исследования предложена новая зависимость, в которой весовые коэффициенты для температуры воздуха и средней радиационной
к °'8 0,7 0,6
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
ду 0'6
0,5 0,4 0,3 0,2
0,1
>-
.......... ТТГТГвек
0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55
и, м/с
—— по ГО СТ ......по предложенной методике
Рис. 1. Сравнительный график весовых коэффициентов 1. Comparison оф■weigЫ
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5 0,6
и, м/с
по ГОСТ по предложенной методике
Рис. 2. Погрешность расчета при определении результирующей температуры Fig. 2. Calculation error for calculating resulting temperature
температуры выражаются в виде полинома второго по- зультирующую комфортную температуру, учитывающую рядка функции от подвижности воздуха. Полученная комфортное сочетание температуры воздуха и средней формула позволяет с высокой точностью рассчитать ре- радиационной температуры.
0
0
Литература
1. ASHRAE 62 Ventilation for acceptable indoor air quality // ASHRAE Standard, ashrae.org, 621989. 1989.
2. Madsen T. L. Comparison between Operative and Equivalent Tempearture under Typical Indoor Conditions // ASHRAE trans. 1984. vol. 90. p. 1077-1090.
3. SAE J2234 Equivalent temperature. Surface Vehicle Information. 1993.
4. Nilsson H., Holmer I., Bohm M. & Noren O. Definition and Theoretical Background of the Equivalent Temperature // Int. ATA Conference. Florence, Italy. 1999A.
5. Bohm M. et al. Evaluation of the thermal environment in tractor cabs // International Conference on Environmental Ergonomics IV. 1990. p. 144-146.
References
1. ASHRAE 62 Ventilation for acceptable indoor air quality. ASHRAE Standard, ashrae.org, 621989. 1989.
2. Madsen T. L. Comparison between Operative and Equivalent Tempearture under Typical Indoor Conditions. ASHRAE trans. 1984. vol. 90. p. 1077-1090.
3. SAE J2234 Equivalent temperature. Surface Vehicle Information. 1993.
4. Nilsson H., Holmér I., Bohm M. & Norén O. Definition and Theoretical Background of the Equivalent Temperature. Int. ATA Conference. Florence, Italy. 1999A.
5. Bohm M. et al. Evaluation of the thermal environment in tractor cabs. International Conference on Environmental Ergonomics IV. 1990. p. 144-146.
6. Schwab R., Conrad W. & Mayer E. Correlation Between Objective and Subjective Measurements of Thermal Comfort // EQUIV Report No 4, Holtzkirchen, Germany, FraunhoferInstitut für Bauphysik. 1999.
7. Houghten F. and Yagloglou C. Determining equal comfort lines // Journal of ASHVE, USA, 1923. vol. 29. Pp. 165-176.
8. Dufton A. F. The equivalent temperature of a warmed room // JIHVE. 1936. vol. 4. p. 227-229.
9. Zhang S., Lin Z. Standard effective temperature based adaptive-rational thermal comfort model // Applied Energy. 2020. vol. 264. p. 114723.
10. MissenardA. et al. On Thermally Equivalent Environments // Journal of the Institution of Heating and Ventilating Engineers. 1959. vol. 27. p. 231-237.
11. Vernon H. & Warner C. The influence of humidity of the air on capacity for work at high temperatures // Journal Hygiene Cambridge, UK, 1932. vol. 32. pp 431-462.
12. Menchaca-Brandan M. A., Espinosa F. A. D., Glicksman L. R. The influence of radiation heat transfer on the prediction of air flows in rooms under natural ventilation // Energy and buildings. 2017. vol. 138. p. 530-538.
13. ГОСТ 30494-2011 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. Дата введения 2013-01-01.
14. ГОСТ Р ИСО 7730-2009 Эргономика термальной среды. Аналитическое определение и интерпретация комфортности теплового режима с использованием расчета показателей PMV и PPD и критериев локального теплового комфорта. Дата введения 2010-12-01.
15. Mohammad H. Hasan, Fadi Alsaleem, Mostafa Rafaie. Sensitivity study for the PMV thermal comfort model and the use of wearable devices biometric data for metabolic rate estimation // Building and Environment. 110 (2016) 173e183
16. Рябова Т. В., Санкина Ю. Н., Сулин А. Б. Обоснование и расчет эквивалентных параметров теплового комфорта помещения // Вестник Международной академии холода. 2018. № 2 (67). С. 78-84.
Сведения об авторах
Санкина Юлия Николаевна
Аспирант факультета энергетики и экотехнологий Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [email protected]
Рябова Татьяна Владимировна
К. т. н., доцент факультета энергетики и экотехнологий Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [email protected]
Сулин Александр Борисович
Д. т. н., профессор факультета энергетики и экотехнологий Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [email protected]
Деими-Даштбаяз Махди
К. т. н., доцент кафедры технологии машиностроения, Университет Хакима Сабзевари, Сабзевар, Иран, [email protected]
Лысёв Владимир Иванович
К. т. н., инженер 1 кат. факультета энергетики и экотехнологий Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [email protected]
6. Schwab R., Conrad W. & Mayer E. Correlation Between Objective and Subjective Measurements of Thermal Comfort. EQUIV Report No 4, Holtzkirchen, Germany, Fraunhofer-Institut für Bauphysik. 1999.
7. Houghten F. and Yagloglou C. Determining equal comfort lines. Journal of ASHVE, USA, 1923. vol. 29. Pp. 165-176.
8. Dufton A. F. The equivalent temperature of a warmed room. JIHVE. 1936. vol. 4. p. 227-229.
9. Zhang S., Lin Z. Standard effective temperature based adaptive-rational thermal comfort model. Applied Energy. 2020. vol. 264. p. 114723.
10. Missenard A. et al. On Thermally Equivalent Environments. Journal of the Institution of Heating and Ventilating Engineers. 1959. vol. 27. p. 231-237.
11. Vernon H. & Warner C. The influence of humidity of the air on capacity for work at high temperatures. Journal Hygiene Cambridge, UK, 1932. vol. 32. pp 431-462.
12. Menchaca-Brandan M. A., Espinosa F. A. D., Glicksman L. R. The influence of radiation heat transfer on the prediction of air flows in rooms under natural ventilation. Energy and buildings. 2017. vol. 138. p. 530-538.
13. State standard 30494-2011 Residential and public buildings. The parameters of the microclimate in the premises. Date of introduction 2013-01-01. (in Russian)
14. State standard R ISO 7730-2009 Ergonomics of the thermal environment. Analytical determination and interpretation of the comfort of the thermal regime using the calculation of PMV and PPD indicators and criteria for local thermal comfort. Date of introduction 2010-12-01. (in Russian)
15. Mohammad H. Hasan, Fadi Alsaleem, Mostafa Rafaie. Sensitivity study for the PMV thermal comfort model and the use of wearable devices biometric data for metabolic rate estimation. Building and Environment. 110 (2016) 173e183
16. Ryabova T. V., Sulin A. B., Sankina Yu. N. Rationale and calculation of thermal comfort equivalent parameters. Vestnik Mezh-dunarodnoi akademii kholoda. 2018. No 2. p. 78-84. (in Russian)
Information about authors Sankina Iuliia N.
Graduate student of Faculty of Energy and Ecotechnology of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [email protected]
Ryabova Tatyana V.
Ph. D., Associate Professor of Faculty of Energy and Ecotechnology of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [email protected]
Sulin Aleksandr B.
D. Sc., Professor of Faculty of Energy and Ecotechnology of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [email protected]
Deymi-Dashtebayaz Mahdi
Ph. D., Associate Professor, Department of Mechanical Engineering Hakim Sabzevari University, Iran, [email protected]
Lysev Vladimir I
Ph. D., Engineer of Faculty of Energy and Ecotechnology of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [email protected]
