Забезпечення оптимальних умов мікроклімату з урахуванням моделювання теплового режиму приміщення

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД «ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА та АРХІТЕКТУРи»

УДК 628.87: 697.245.386

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНИХ УМОВ МІКРОКЛІМАТУ З УРАХУВАННЯМ МОДЕЛЮВАННЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМУ ПРИМІЩЕННЯ

05.26.01 - охорона праці

Петренко Анатолій Олегович

Дніпропетровськ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор, Бєліков Анатолій Серафимович, Державний вищий навчальний заклад «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», завідувач кафедри безпеки життєдіяльності.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Касьянов Микола Анатолійович, Східноукраїнський національний університет ім. Володимира Даля, завідувач кафедри охорони праці та безпеки життєдіяльності;

кандидат технічних наук, доцент, Стрежекуров Едуард Євгенович, Дніпродзержинський державний технічний університет, доцент кафедри електротехніки та електротехнологій.

Захист відбудеться "27" жовтня 2011р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.085.03 при Державному вищому навчальному закладі «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури» за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а, ауд. 202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного вищого навчального закладу «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури» за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевсь-кого, 24а.

Автореферат розісланий "23" вересня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради ___Т.Ф. Яковишина

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА Роботи

мікроклімат теплообмін променевий абсорбційний

Актуальність теми. Здоров'я і працездатність людини в основному залежать від санітарно-гігієнічних умов на робочому місці, зокрема параметрів мікроклімату всередині приміщень житлових, громадських і виробничих будівель. Тривала дія високої температури в приміщенні спричиняє різноманітні фізіологічні порушення в організмі працівника: зміни в обміні речовин, роботі функцій внутрішніх органів (печінки, шлунка, жовчного міхура, нирок), у серцево-судинній, дихальній та нервовій системах; а в разі холодового впливу призводить до появи таких захворювань, як радикуліт, невралгія, ревматизм, інфекційні захворювання дихального тракту, алергія. Отже, виникає необхідність дослідження процесу променевого теплообміну між поверхнею тіла людини й поверхнями, оберненими всередину приміщення, та пошуку критерію оцінки мікроклімату всередині приміщень з урахуванням радіаційної температури захисних поверхонь, обернених всередину приміщення t_р, а також розробки енергоефективних технологій обігріву й охолодження в приміщенні.

Таким чином, підвищення комфортності в приміщенні за рахунок підтримки оптимальних параметрів мікроклімату в будь-якій точці приміщення, направлене на поліпшення умов життєдіяльності людини, підвищення продуктивності праці, зниження витрат теплової енергії на забезпечення параметрів мікроклімату, є актуальним науково-практичним завданням сьогодення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках вимог Кабінету Міністрів України, Національної програми «Концепція Загальнодержавної програми поліпшення стану безпеки, гігієни праці і виробничого середовища на 2006 - 2011 р.р.», а також у рамках завдань комплексної Державної програми енергозбереження України, держбюджетних науково-дослідницьких тем Міністерства освіти і науки України: «Економіко-математичне моделювання енергоекономічних систем життєзабезпечення житлових та громадських будівель» (№ держреєстрації 0104U000232), 2004 - 2006 р.р.; «Розробка системи цілорічного забезпечення мікроклімату (СЦЗМ) індивідуальних житлових будинків з використанням відновлюваної енергії» (№ держреєстрації 0107U001035), 2007 - 2008 р.р.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення безпеки життєдіяльності людини за рахунок поліпшення мікрокліматичних умов з урахуванням моделювання теплового режиму в приміщенні.

Для досягнення поставленої мети необхідно було виконати наступні завдання:

провести аналіз впливу параметрів мікроклімату на працездатність і безпеку життєдіяльності людини;

дослідити процес променевого теплообміну між поверхнею тіла людини й поверхнями, оберненими всередину приміщення;

обґрунтувати критерії оцінки стану мікроклімату в приміщенні з урахуванням променевої складової теплообміну;

встановити закономірності й розробити фізико-математичну модель розподілу променевого теплообміну на поверхні тіла людини;

обґрунтувати вибір цілорічної підтримки мікроклімату в приміщенні з урахуванням променевого теплообміну та розробити систему, що забезпечує поліпшення мікрокліматичних умов шляхом управління променевою складовою теплообміну з методикою розрахунку окремих її елементів;

розробити математичну модель роботи абсорбційного перетворювача теплоти (АПТ) для оптимізації його роботи з урахуванням роботи елементів системи життєзабезпечення.

Об'єкт дослідження - мікроклімат у приміщеннях будівель.

Предмет дослідження - процес променевого теплообміну тіла людини з поверхнями, оберненими всередину приміщення, та закономірності впливу променевої складової на мікроклімат у приміщенні.

Методи дослідження: аналіз теоретичних й експериментальних робіт із науковим узагальненням; математичне моделювання; експериментальні дослідження впливу параметрів мікроклімату на променевий теплообмін тіла людини з поверхнями, оберненими всередину приміщення; обробка результатів експериментальних досліджень методами математичної статистики на ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше в результаті проведених досліджень процесу променевого теплообміну між поверхнею тіла людини і поверхнями в приміщенні встановлені закономірності та розроблена фізико-математична модель розподілу променевого теплообміну на поверхні тіла людини;

на основі теоретичних й експериментальних досліджень запропоновано критерій оцінки кількості променевого теплового потоку, який надходить або стікає з поверхні тіла людини, що дозволяє оцінювати мікроклімат в існуючих приміщеннях і на стадії їх проектування;

вперше розроблена математична модель, в якій одержані залежності опромінення між плоскими поверхнями (стіни) та циліндром еліптичної форми (тіло людини) дозволяють коректніше обчислювати теплообмін між тілом людини та оточуючими поверхнями;

вперше розроблена й побудована об'ємна електрична модель, яка дозволяє проводити дослідження променевого теплообміну та вектора його направленості між об'єктами та людиною в будь-якій точці простору приміщення;

удосконалена технологія цілорічної підтримки необхідних параметрів мікроклімату приміщень на базі АПТ з використанням поновлюваної енергії;

проведена оптимізація параметрів роботи АПТ на математичній моделі.

Практичне значення одержаних результатів полягає у:

встановленні закономірностей, які дозволили отримати аналітичні вирази для визначення коефіцієнтів опроміненості між тілом людини й поверхнями, оберненими всередину приміщення;

розробці математичної моделі теплообміну людини з внутрішнім середовищем, яка дозволяє враховувати стан мікроклімату в приміщенні;

розробці системи, що забезпечує поліпшення мікрокліматичних умов шляхом управління променевою складовою теплообміну й методик розрахунку окремих її елементів;

використанні результатів дисертаційної роботи, а саме, методики визначення кроку розкладки трубопроводів панельно-променевих елементів у проектній практиці;

впровадженні системи поверхнево-розвиненого обігріву приміщень в адміністративній будівлі комунального підприємства «Трамвай» (м. Дніпродзержинськ) та в офісних приміщеннях ТОВ «Атлас-Енерго» (м. Дніпропетровськ) з використанням променевого теплообміну з урахуванням моделювання теплообміну людини з внутрішнім середовищем приміщення як складової оптимізації мікроклімату;

використанні основних положень дисертаційної роботи в навчальному процесі для студентів спеціальності 6.060101 «Будівництво», 7.092108 «Теплогазопостачання і вентиляція» з дисципліни «Охорона праці».

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації сформульовані мета, завдання досліджень, наукові положення та висновки. Головні результати теоретичних та практичних досліджень, які були проведені в дисертаційній роботі, опубліковані в наукових працях і наведені в списку публікацій автореферату [1-13]. Особистий внесок полягає в наступному:

аналіз науково-технічної і патентної літератури в області мікроклімату приміщень і систем, які його забезпечують [1, 3, 4, 6];

обґрунтування мети і завдань досліджень, розробка методик і виконання експериментальних досліджень процесу променевого теплообміну між поверхнею тіла людини й поверхнями в приміщенні [1, 2, 3, 7, 9, 10];

створення моделі впливу параметрів внутрішнього середовища на людину з урахуванням променевого теплообміну як складової при оптимізації мікроклімату [1, 2, 3, 8, 10];

розробка енергоефективної технологічної системи панельно-променевого обігріву й охолодження житлових і громадських будівель [13].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались та отримали позитивну оцінку на: міжнародній науково-технічній конференції «Енергоефективність - 2002» (м. Київ, 29-30 жовтня 2002 р.), міжнародному симпозіумі «Безпека життєдіяльності в XXI столітті» (м. Дніпропетровськ, м. Хургада (Єгипет), січень 2003 р.), міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми економії енергії» (м. Львів, 8-12 жовтня 2003 р.), міжнародних симпозіумах «Безпека життєдіяльності в XXI столітті» (м. Дніпропетровськ, 2004-2006 рр.), міжнародному енергоекологічному конгресі «Енергетика. Екологія. Людина» (Київ, 30 березня - 2 квітня 2004 р.), на щорічних конференціях ПДАБА (2004-2011 рр.), міжнародній конференції «Енергоефективність крупного промислового регіону» (м. Донецьк, 7-9 червня 2004 р.), міжнародній науково-технічній конференції «Реконструкція Санкт-Петербург - 2005» (м. Санкт-Петербург (РФ), 19-21 жовтня 2005 р.), міжнародній конференції «Відновлювана енергетика XXI століття» (АР Крим, смт. Миколаївка, 11-15 вересня 2006 р.), науково-практичних конференціях «Нові технології енергопостачання і енергозбереження в промисловості і ЖКГ» (м. Дніпропетровськ, 2005-2006 рр.), міжнародній науково-практичній інтернет-конференції «Безпека життєдіяльності в навколишньому і виробничому середовищах» (м. Харків, 20 січня - 20 лютого 2011 р.), на наукових семінарах і нарадах кафедри безпеки життєдіяльності та кафедри опалення, вентиляції і якості внутрішнього середовища ДВНЗ «ПДАБА» (2002-2011 рр.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 27 наукових роботах: зокрема 12 статей надруковано у виданнях, які входять до переліку ВАК України; 14 - у тезах доповідей; на систему панельно-променевого обігріву та охолодження житлових та громадських будівель отримано патент на корисну модель (№ 27924 від 26.11.2007 р.).

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг дисертації складає 224 сторінок. Окрім основного тексту, який викладено на 163 сторінках, дисертація містить 64 рисунки, 6 таблиць, список використаних джерел із 123 найменувань на 12 сторінках і додатки на 52 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, висвітлено її важливість; сформульовано мету і завдання досліджень; визначено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів дослідження.

Перший розділ присвячено аналізу теоретичних та експериментальних досліджень мікрокліматичних умов у приміщеннях житлових і громадських будівель, їх впливу на самопочуття, здоров'я й працездатність людини. Проаналізовані способи оцінки мікроклімату в приміщеннях.

У світовій практиці постійно зростає увага до створення комфортних мікрокліматичних умов у приміщеннях, що обумовлено турботами про здоров'я людини й підвищення продуктивності її праці. Також представляє інтерес на стадії проектування оцінка ухвалених рішень щодо забезпечення мікроклімату приміщень для максимальної комфортності людини й підвищення її працездатності.

Як показав аналіз досліджень мікрокліматичних умов приміщень, на сучасному етапі методика їх оцінки не враховує нерівномірність променевого теплообміну, що приводить до поганого самопочуття й зменшення продуктивності праці. Тому доцільним є дослідження променевого теплообміну між поверхнею тіла людини і поверхнями, оберненими всередину приміщення, необхідних для якісної оцінки стану мікроклімату в приміщеннях з урахуванням променевої складової теплообміну.

Початковою науковою базою при створенні критерійних оцінок внутрішніх мікрокліматичних умов були роботи В.Н. Богословського, Л. Банхіді, Ф.А. Міссенара, Л.В. Павлухіна, Л.А. Гвозденка, Ф.М. Шлейфмана, А.С. Бєлікова, М.А. Касьянова та інших учених, подальший аналіз яких показав, що в даних роботах недостатньо висвітлені питання впливу променевої складової теплообміну на оцінку мікроклімату приміщень. Таким чином, виникає необхідність пошуку шляхів забезпечення оптимальних умов мікроклімату за рахунок моделювання теплового режиму приміщення.

У другому розділі розроблена математична модель променевого теплообміну тіла людини з поверхнями, оберненими всередину приміщення. Отримані вирази для визначення коефіцієнтів опроміненості між тілом людини й поверхнями, які його оточують, можуть бути використані при вирішенні завдань визначення величини променевого теплообміну та його впливу на мікроклімат.

Для оцінки умов мікроклімату, з погляду безпеки життєдіяльності людини, були проведені дослідження променевого теплообміну між поверхнею тіла людини і поверхнями, оберненими всередину приміщення. Терморадіаційна напруженість характеризується нерівномірністю в просторі, отже, його оцінку необхідно вести окремо для кожної точки. Величина опроміненості елементарної площадки тіла людини залежить від її орієнтації у просторі щодо джерела теплового випромінювання. Вона має векторний характер і багатозначна в кожній точці простору.

Для отримання наочної картини взаємного впливу променевої енергії, яка направлена від усіх обернених у бік людини поверхонь, при рішенні математичної моделі, вперше запропоновано представляти тіло людини як набір геометричних фігур: голова - куля, тулуб - еліптичний циліндр, ноги - усічений конус (рис. 1).

Рис. 1. Схема подібності різних частин тіла людини до геометричних фігур

Проаналізувавши методики визначення середньозваженої температури по поверхні тіла людини, було виявлено, що на тулуб доводиться до 50% точок відносно до інших частин тіла. Це дозволяє зробити висновок, що при перегріві або при переохолодженні в районі тулуба людина буде відчувати найбільший дискомфорт, оскільки площа тулуба порівняно з рештою частин тіла більша. Отже, представлені характеристики моделі тіла людини (табл. 1), порівняно з дослідженнями інших науковців, свідчать про доцільність використання як моделі людини еліптичного циліндру з параметрами прийнятого варіанту, оскільки він точніше описує форму тіла людини.

Остаточно для математичного моделювання в якості моделі людини використовується еліптичний циліндр. Висота фігури 170 мм. Розрахунки проводилися для ділянки, розташованої на рівні грудей, на висоті 150 мм від рівня підлоги.

Таблиця 1

Параметри експериментальної моделі людини

Частина тіла людини	Ідеальний варіант	Існуючі варіанти	Прийнятий варіант
	наявність	фігура	геометрична характеристика	наявність	фігура	геометрична характеристика	наявність	фігура	геометрична характеристика
Голова	є	куля	r=9 мм	немає	немає	немає	немає	немає	немає
Тулуб	є	еліптичний циліндр	a=28,4 мм b=21,5 мм	є	циліндр	d=28 мм h=180 мм За даними В.М. Богословського	є	еліптичний циліндр	a=28,4 мм b=21,5 мм
						d=28 мм h=175 мм За даними Г. Рітшеля
Ноги	є	усічений конус	a=28,4 мм b=21,5 мм r=8 мм	немає	немає	немає	немає	немає	немає

Для проведення розрахунків та вивчення впливу променевого теплообміну на тепловідчуття людини за допомогою математичної моделі обрано модель кімнати з розмірами 500х400х300 мм.

Розглянуто наступні варіанти дослідження променевого теплообміну між поверхнею тіла людини і поверхнями, оберненими всередину приміщення:

1. Температура на поверхні всіх огороджувальних конструкцій дорівнює температурі внутрішнього повітря, а температура на поверхні моделі тіла людини становить 36^оС.

2. Температура на внутрішніх поверхнях зовнішніх огороджень приймається залежно від температури зовнішнього повітря та опору теплопередачі огороджувальних конструкцій, а температура на поверхні тіла людини - 36^оС, при обігріві приміщення панелями або радіаторами (конвекторами).

У розрахунках радіаційного теплообміну між поверхнями важливу роль відіграють геометричні характеристики тіл і взаємне їх розташування. Вплив цих характеристик враховується кутовим коефіцієнтом ц.

Коефіцієнт опроміненості ц_пл-л з плоскої поверхні, яка має граничні розміри, на поверхню тіла людини визначається згідно залежності:

(1)

Коефіцієнт опроміненості показує частку променевого потоку, яка потрапляє на поверхню тіла людини, від усього потоку, що випромінюється плоскою поверхнею.

У роботі було розглянуто задачу взаємного опромінення тіла людини й вертикально розташованої поверхні (стіна, вікно, опалювальний прилад) (рис. 2 а), горизонтально розташованої поверхні (стеля, підлога) (рис. 2 б).

а) б)

Рис. 2. Схема визначення коефіцієнту опроміненості між моделлю тіла людини і: а) вертикально розташованою поверхнею; б) горизонтально розташованою поверхнею

Після подвійного інтегрування коефіцієнт опроміненості між поверхнями F₁ і F₂ прийме вигляд:

(2)

, .

Обчислюючи окремо , , , , , , за формулою (2), визначаємо для випадку, коли площина знаходиться перед людиною (рис. 2 а).

Випадки з боковими стінами та стелею вирішуються аналогічно.

Результати розрахунків коефіцієнтів опроміненості між тілом людини і поверхнями, оберненими всередину приміщення, використовуються в методиці оцінки ефективності систем обігріву й охолодження, що є складовою при регулюванні мікроклімату в приміщенні.

Значні ускладнення виникають при розрахунку коефіцієнтів опроміненості , тому що виконати подвійне інтегрування з отриманням результатів у вигляді простого аналітичного виразу виявляється можливим тільки в окремих випадках взаємного розташування та конфігурації поверхонь, які беруть участь у променевому теплообміні. Проблема може бути вирішена за рахунок створення аналогової моделі для дослідження процессів променевого теплообміну людини з поверхнями, оберненими всередину приміщення.

Для визначення асиметричного розподілу тепла на поверхні тіла людини запропоновано критерій оцінки стану мікроклімату в приміщенні з урахуванням впливу променевої складової теплообміну (3), який дозволяє визначати відповідність стану мікроклімату санітарно-гігієнічним нормам у приміщенні:

(3)

де ? максимальна кількість тепла, яке надходить або йде з поверхні тіла людини;

? мінімальна кількість тепла, яке надходить або йде з поверхні тіла людини.

Наочніше комфортні умови в приміщенні можна прослідкувати при графічній побудові критерію оцінки стану мікроклімату залежно від променевої складової теплообміну людини і поверхонь, обернених всередину приміщення.

Рис. 3. Визначення кількості тепла, яке надходить на поверхню тіла людини або йде з неї залежно від температури на поверхні огороджувальних конструкцій і коефіцієнта опроміненості

Визначити комфортний стан людини всередині приміщення з урахуванням променевого теплообміну можна використовуючи залежність 3 або рис. 3.

Рис. 4. Критерій оцінки стану мікроклімату при променевому теплообміні людини і поверхонь, обернених всередину приміщення (людина у стані покою)

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень променевого теплообміну між поверхнею тіла людини і поверхнями, які обернені всередину приміщення, та їх вплив на оптимальні умови мікроклімату.

Для детальнішого вивчення розподілу кількості тепла на поверхні тіла людини було проведено фізичне моделювання. В основу теплового моделювання променевого теплообміну покладено факт подібності геометричної конфігурації областей просторів, в яких існують модельоване і моделююче поля, отже, якщо значення відповідних параметрів на межах областей пропорційні, то картини полів будуть подібні. Це було використано для моделювання теплового поля електричним полем у рідкому провідному середовищі.

Аналогом щільності теплового потоку є щільність електричного струму, а аналогом градієнту температур - градієнт потенціалів.

Щільність електричного струму описується законом Ома в диференційній формі:

(4)

де J - щільність струму, ;

- електропровідність середовища, ;

- потенціал у даній точці поля, В.

Аналогічно щільність теплового потоку, виходячи з рівняння Стефана-Больцмана, можна представити у вигляді:

(5)

де - коефіцієнт теплопередачі;

Т - температура в даній точці поля, ^оС.

Рис. 5. Експериментальний стенд для дослідження променевого теплообміну: 1 - регулятор потенціалів, 2 - вольтметр універсальний В7-21А, 3 - модель приміщення, 4 - пристрій для переміщення зонду, 5 - пристрій для закріплення зонду

Подібність формул (4) і (5) дозволила створити об'ємну електричну модель для дослідження променевого теплообміну між об'єктами в просторі. Для цього в електропровідній рідині розташували макети об'єктів, які були виконані в масштабі 1:10, і встановили між ними різниці потенціалів пропорційно різницям їх температур (рис. 5, 6).

Рис. 6. Схема розташування моделі людини в площі приміщення при проведенні експерименту: 1, 2, 3, 4 - точки розташування моделі людини

Вимірювання проекцій на осі координат вектора напруженості електричного поля в будь-якій точці простору моделі дає можливість отримати повну картину про величини та напрями теплових потоків в приміщенні (рис. 7).

Рис. 7. Схема побудови проекцій об'ємної щільності теплового потоку на осі координат

За результатами вимірювань одержано епюри розподілу кількості тепла променевого теплообміну поверхні тіла людини з поверхнями, які обернені всередину приміщення (рис. 8).

Т1	Т2
ж=0,71	ж=0,63
Т3	Т4
ж=0,65	ж=0,64

Рис. 8. Епюри розподілу теплової енергії на поверхні тіла людини і критерій оцінки стану мікроклімату при променевому теплообміні людини і поверхонь, обернених всередину приміщення

При розробці системи обігріву будинку необхідно застосовувати елементи обігріву, які б давали рівномірний розподіл тепла біля поверхні тіла людини. При цьому температура поверхонь, особливо зовнішніх огороджувальних конструкцій, повинна дорівнювати температурі внутрішнього повітря або бути такою, що не викликає напруження внутрішнього механізму терморегуляції при тривалому впливі на поверхню тіла людини, отже, забезпечить умови безпеки життєдіяльності людини та підвищення працездатності в приміщенні.

Повний кількісний аналіз погрішностей вельми складний, тому часто його доводиться замінювати тим або іншим спрощеним якісним аналізом. До основних джерел погрішностей при розробці моделей мікрокліматичних параметрів слід віднести наступні:

- погрішності при проведенні вимірювань досліджуваних параметрів д₁;

- погрішності вимірювальної техніки д₂;

- погрішності при апроксимації результатів д₃;

- погрішності обчислень на ЕОМ д₄.

Розрахунок д_р для досліджуваних параметрів показав, що дані, отримані експериментальним шляхом, дають погрішність, порівняно з реальними, не більше 5-8%, отже, свідчать про достатню точність при вирішенні завдань подібного класу.

У четвертому розділі запропоновано принцип організації поверхнево-розвиненого обігріву й охолодження приміщень, який забезпечує найбільш рівномірний розподіл температури в об'ємі приміщення з використанням низькотемпературних та поновлюваних джерел енергії (рис. 9). Удосконалено методику розрахунку конструктивних розмірів нагрівальних поверхнево-розвинених поверхонь.

Для реалізації технологій забезпечення параметрів мікроклімату запропоновано принципову схему комплексної системи життєзабезпечення, в якій енергопостачання здійснюється від устаткування, що використовує і перетворює енергію поновлюваних джерел - сонячних колекторів, вітроелектричних установок, теплових насосів та ін. Енергія у вигляді тепла подається в абсорбційний перетворювач, який, залежно від потреб, генерує тепло або холод у необхідній кількості й забезпечує заданий мікроклімат у приміщенні. Гаряче водопостачання забезпечується від тих же джерел. Управління здійснюється автоматизованою системою.

Рис. 9. Система цілорічного забезпечення мікроклімату з використанням поновлюваної енергії: 1 - накопичувальний сонячний колектор; 2 - добовий ґрунтовий акумулятор теплоти; 3 - сезонний ґрунтовий акумулятор теплоти; 4, 12, 13, 14, 15 - циркуляційні контури; 6,7,8, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 - триходові крани; 9, 10, 20, 21, 22, 23 - циркуляційні насоси; 11 - АПТ; 16 - дублюючий елемент; 17 - основний сонячний колектор; 18 - ґрунтовий теплогенератор; 19 - поверхнево розвинені панелі обігріву-охолодження; 5, 34 - чотириходові крани

За базовий агрегат був прийнятий АПТ, який у холодний та перехідний періоди працює в режимі теплового насоса, а в теплий період - у режимі холодильної машини.

Для дослідження процесів АПТ і вибору оптимальних параметрів роботи машини була розроблена і прорахована математична модель роботи елементів АПТ, яка дозволяє швидко оптимізувати її роботу при зміні параметрів.

Для відтворення оптимальних теплових параметрів у системі цілорічного забезпечення мікроклімату запропоновано принцип організації панельно-променевого обігріву й охолодження приміщень, що забезпечує найбільш рівномірний розподіл температури в об'ємі приміщення (рис. 10).

а) б) в)

Рис. 10. Схема розкладки і подачі теплоносія до нагрівальних елементів зовнішньої нагрівальної панелі: а) - теплоносій подається знизу; б) - регулювання щільності витків змійовика; в) - розбиття на декілька контурів

Схема (рис. 10в) дає можливість регулювати кількість тепла, яке віддаватиметься кожною окремою зоною, декількома способами:

1 спосіб - кількістю витків за певних умов теплоносія на подачі; 2 спосіб - кількістю теплоносія, що подається до кожного контуру; 3 спосіб - температурою теплоносія.

Було реалізовано методику визначення необхідних параметрів панельно-променевих елементів обігріву як складової мікроклімату, яка розширює функціональні можливості системи, покращуючи санітарно-гігієнічний стан приміщень, за рахунок рівномірного розподілу температури в об'ємі приміщення в холодний період року, і надає можливість використання системи в теплий і перехідний періоди року, істотно підвищуючи її ефективність і зменшуючи забруднення навколишнього середовища.

У п'ятому розділі результати науково-дослідної роботи застосовані на виробництві для перевірки ефективності обігріву приміщень панельно-променевими системами обігріву в зимовий період року. Ця система була впроваджена для обігріву приміщень в адміністративній будівлі комунального підприємства «Трамвай» (м.Дніпродзержинськ) та в офісних приміщеннях ТОВ «Атлас-Енерго» (м.Дніпропетровськ). Обігрів запропонованим способом дозволив отримати як економічний, так і соціальний ефект, а саме: поліпшення умов праці за рахунок підтримки оптимальних теплових умов мікроклімату; зменшення кількості людино-днів, пропущених через хворобу у зв'язку з несприятливими умовами праці при тимчасовій непрацездатності (з 65 до 23 днів); зменшення витрат на лікування у зв'язку із зменшенням захворювань, пов'язаних з умовами праці (на 1,5 тис. грн.).

На підтвердження цього маються акти впровадження у виробництво, де відзначено, що розроблена енергоефективна система створення мікроклімату забезпечує поліпшення умов праці, санітарно-гігієнічних та соціальних умов і дає економічний ефект на комунальному підприємстві «Трамвай» (м.Дніпродзержинськ) у розмірі 10 тис. грн., а на ТОВ «Атлас-Енерго» ? 3,8 тис. грн.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідницькою роботою, в якій подано теоретичне узагальнення та нове рішення актуальної науково-прикладної задачі безпеки життєдіяльності людини у виробничому середовищі, котре полягає в поліпшенні стану мікроклімату в приміщеннях за рахунок рівномірної дії променевого теплообміну на організм людини і підвищення енергоефективності технологій його забезпечення, що найшло відображення у такому:

1. Проведено дослідження процесу променевого теплообміну між поверхнею тіла людини і поверхнями внутрішнього середовища з урахуванням впливу променевої складової на стан мікроклімату в приміщенні.

2. Розроблена і побудована об'ємна електрична модель, яка дозволяє проводити дослідження променевого теплообміну та вектора його направленості між об'єктами та людиною в будь-якій точці простору приміщення.

3. Розроблена математична модель та отримані аналітичні вирази для визначення коефіцієнтів опроміненості, які дозволяють розрахувати величину променевої складової теплообміну будь-якої точки в приміщенні для окремих елементів (стіна, стеля, підлога) й оцінити теплообмін людини з внутрішнім середовищем.

4. На основі визначеного асиметричного розподілу тепла запропоновано критерій оцінки стану мікроклімату в приміщенні з урахуванням впливу променевої складової теплообміну, який дозволяє визначати відповідність стану мікроклімату санітарно-гігієнічним нормам.

5. У результаті проведених досліджень процесу променевого теплообміну між поверхнею тіла людини і поверхнями в приміщенні встановлені закономірності і розроблена фізико-математична модель розподілу променевого теплообміну на поверхні тіла людини.

6. Запропоновано схеми управління мікрокліматом системами панельно-променевого обігріву й охолодження в приміщеннях та вдосконалено методику конструктивного розрахунку окремих елементів при різних способах її встановлення, що забезпечує поліпшення мікрокліматичних умов шляхом управління променевою складовою теплообміну.

7. Одержала подальший розвиток математична модель АПТ для оптимізації його роботи з урахуванням впливу на мікроклімат у приміщенні.

8. Отримані результати та висновки впроваджені в проектній практиці (методика визначення кроку розкладки трубопроводів панельно-променевих елементів обігріву); адміністративній будівлі комунального підприємства «Трамвай» м. Дніпродзержинськ; офісних приміщеннях ТОВ «Атлас-Енерго» м. Дніпропетровськ; навчальному процесі для студентів спеціальності 6.060101 «Будівництво», 7.092108 «Теплогазопостачання і вентиляція» з дисципліни «Охорона праці».

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Петренко А.О. Воздействие лучистого теплообмена на человека в помещениях зданий при различных системах обогрева и их оценка / Л.Г. Чесанов, В.О. Петренко, А.О. Петренко // Строительство, материаловедение, машиностроение. - 2005. - № 34. - С. 117-122.

2. Петренко А.О. Комплексное использование возобновляемой энергии для обеспечения мироклимата помещений зданий / Л.Г. Чесанов, В.И. Крадожен, В.О. Петренко, А.О. Петренко // Строительство, материаловедение, машиностроение. - 2005. - № 35. - Ч.3. - С. 43-47.

3. Петренко А.О. Пути снижения потребления невозобновляемой энергии в системах обеспечения микроклимата в помещениях зданий / Л.Г. Чесанов, В.И. Крадожен, В.О. Петренко, В.Л. Чесанов, А.О. Петренко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. - 2006. - Спец. вип. - С. 29 -32.

4. Петренко А.О. Качество микроклимата жилищной среды и системы его обеспечения / Л.Г. Чесанов, В.О. Петренко, А.О. Петренко // Строительство, материаловедение, машиностроение. - 2007. - № 40. - С. 27-31.

5. Петренко А.О. Разработка систем круглогодичного обеспечения микроклимата в помещениях зданий на базе абсорбционных термотрансформаторов и использования возобновляемой энергии / Л.Г. Чесанов, В.О. Петренко, А.О. Петренко // Вісник Криворізького технічного університету. - 2007. - № 18.1. - С. 215-219.

6. Петренко А.О. Современные методы оценки теплообмена человека с окружающей средой в помещении / Л.Г. Чесанов, В.О. Петренко, А.О. Петренко // Строительство, материаловедение, машиностроение. - 2008. - № 46. - С. 29-35.

7. Петренко А.О. Підвищення безпеки життєдіяльності людини за рахунок цілорічного забезпечення мікроклімату приміщень з комплексним використанням відновлюваної енергії / А.С. Бєліков, В.О. Петренко, А.О. Петренко // Строительство, материаловедение, машиностроение. - 2009. - №49. - С. 125-131.

8. Петренко А.О. Усовершенствование методики оценки теплообмена человека с внутренней средой помещения / А.С. Бєліков, В.О. Петренко, А.О. Петренко // Вісник Криворізького технічного університету. - 2009. - № 23. - С. 178-182.

9. Петренко А.О. Экспериментальное исследование теплообмена человека с внутренней средой помещения / А.С. Бєліков, В.О. Петренко, А.А. Цуканов, А.О. Петренко // Строительство, материаловедение, машиностроение. - 2010. - №52. - Ч. 2. - С. 231-236.

10. Петренко А.О. Моделювання та дослідження мікроклімату в приміщенні / А.С. Бєліков, В.О. Петренко, А.О. Петренко, А.М. Кравчук // Вісник ДВНЗ «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури». - 2010. - № 8. - С. 55-59.

11. Петренко А.О. Обеспечение микроклимата в помещениях зданий на базе абсорбционных термотрансформаторов и использования возобновляемой энергии / А.С. Бєліков, В.О. Петренко, А.О. Петренко // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. - 2010. - № 5. - Ч. 2. ? С. 340-345.

12. Петренко А.О. Обеспечение нормальних условий микроклимата с учетом математического моделирования процессов теплообмена / А.О. Петренко // Комунальне господарство міст. - 2011. - № 99. ? С. 122-126.

13. Пат. 27924 Україна, МПК F24F 7/02. Система панельно-променевого обігріву та охолодження житлових та громадських будівель / Чесанов Л.Г., Петренко В.О., Петренко А.О.; замовник та патентоволодар ДВНЗ «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури». - № u 200704784; заявл. 28.04.2007; опубл. 26.11.2007, Бюл. №19.

АНОТАЦІЯ

Петренко А.О. Забезпечення оптимальних умов мікроклімату з урахуванням моделювання теплового режиму приміщення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.26.01 - охорона праці. - Державний вищій навчальний заклад «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», Дніпропетровськ, 2011 р.

Дисертація присвячена поліпшенню стану мікроклімату в приміщеннях житлових і громадських будівель за рахунок рівномірної дії променевого теплообміну на організм людини і підвищення енергоефективності технологій його забезпечення.

У роботі виконано аналіз теоретичних та експериментальних досліджень мікрокліматичних умов у приміщеннях житлових і громадських будівель, їх вплив на самопочуття, здоров'я і працездатність людини.

Проведено дослідження процесу променевого теплообміну між поверхнею тіла людини і поверхнями, оберненими всередину приміщення.

Розроблено фізико-математичну модель променевого теплообміну поверхні тіла людини і поверхонь, обернених всередину приміщення.

Запропоновано критерій оцінки стану мікроклімату в приміщенні з урахуванням променевої складової теплообміну.

Розроблено систему, що забезпечує поліпшення мікрокліматичних умов шляхом управління променевою складовою теплообміну, і методику розрахунку окремих її елементів.

Розроблено математичну модель АПТ для оптимізації його роботи.

Ключові слова: мікроклімат, людина, охорона праці, безпека життєдіяльності, санітарно-гігієнічні умови, поліпшення умов праці, променевий теплообмін.

АННОТАЦИЯ

Петренко А.О. Обеспечение оптимальных условий микроклимата с учетом моделирования теплового режима помещения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 - охрана труда. - Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры», Днепропетровск, 2011.

Диссертация посвящена улучшению состояния микроклимата в помещениях жилых и гражданских зданий за счет равномерного воздействия лучистого теплообмена на организм человека и повышения энергоэффективности технологий его обеспечения.

В работе выполнен анализ теоретических и экспериментальных исследований микроклиматических условий в помещениях жилых и гражданских зданий, их влияние на самочувствие, здоровье и работоспособность человека. Проанализированы существующие критерии оценки параметров микроклимата в помещениях зданий и их влияние на организм человека.

Проведены исследования процесса лучистого теплообмена между поверхностью тела человека и поверхностями, обращенными во внутрь помещения. Рассмотрена характеристика лучистого теплообмена в помещениях зданий и его воздействие на поверхность тела человека, который характерен тем, что при различных схемах обогрева помещений, наблюдается неравномерность его распределения.

В результате проведенных исследований процесса лучистого теплообмена между поверхностью тела человека и поверхностями в помещении установлены закономерности и разработана физико-математическая модель распределения лучистого теплообмена на поверхности тела человека. Решение такой задачи потребовало привлечение методов физического и математического моделирования с их реализацией на ПЭВМ.

Суммарная плотность теплового потока в любой точке поверхности тела человека характеризует интенсивность лучистого теплообмена его тела с поверхностями, обращенными вовнутрь помещения.

Для оценки неравномерности воздействия лучистого теплообмена при различных технологиях отопления предложен критерий оценки состояния микроклимата в помещении с учетом лучистой составляющей теплообмена.

Предложены схемы управления микроклиматом системами панельно-лучистого обогрева и охлаждения в помещениях и усовершенствована методика конструктивного расчета отдельных элементов при разных способах ее устройства, что обеспечивает улучшение микроклиматических условий путем управления лучистой составляющей теплообмена.

Была реализована методика определения необходимых параметров панельно-лучистых элементов обогрева как составляющей микроклимата, которая расширяет функциональные возможности системы, улучшая санитарно-гигиеническое состояние помещений, за счет равномерного распределения температуры в объеме помещения в холодный период года, и предоставляет возможность использования системы в теплый и переходный периоды года, существенно повышая ее эффективность и уменьшая загрязнение окружающей среды.

Для исследования процессов абсорбционного преобразователя теплоты (АПТ) и определения оптимальных параметров работы машины получила последующее развитие математическая модель работы элементов АПТ, которая позволяет быстро оптимизировать его работу при изменении параметров.

Система обогрева помещений панельно-лучистыми элементами в зимний период года была внедрена для обогрева офисных помещений ООО «Атлас - Энерго». Обогрев предложенным способом позволил получить как санитарно-гигиенический, так и экономический эффекты, которые заключаются в улучшении условий труда за счет поддержания оптимальных тепловых условий микроклимата, уменьшении числа человеко-дней, пропущенных по болезни в связи с неблагоприятными условиями труда при временной нетрудоспособности, уменьшении затрат на лечение в связи с уменьшением заболеваний, связанных с условиями труда.

Предложена методика определения экономического эффекта от улучшения микроклимата в помещении путем использования панельно-лучистой системы обогрева, направленного на сохранение здоровья и работоспособности персонала.

Ключевые слова: микроклимат, человек, охрана труда, безопасность жизнедеятельности, санитарно-гигиенические условия, улучшения условий труда, лучистый теплообмен.

SUMMARY

Petrenko А.O. Providing of optimum terms of microclimate taking into account the design of the thermal mode of apartment. - Manuscript.

The dissertation on the obtaining of a scientific degree of the candidate of technical science on the specialty 05.26.01 - protection of work. - State Higher Educational Establishment “Pridneprovska Statе Academy of Civil Engineering and Architecture”, Dnipropetrоvsk, 2011.

The dissertation is devoted to the problem of improving microclimate in premises of residential and civic buildings at the expense of uniform effect of radial heat exchange on a human organism and increasing power efficiency of the technologies of its providing.

In the work there was done the analysis of theoretical and experimental researches of microclimate conditions in the premises of residential and civic buildings, their influence on people's general state, health and working ability.

There was made a research of the process of radial heat exchange between the surface of human body and surfaces turned towards the center of the premises.

There was also designed a physic-mathematical model of radial heat exchange of the surface of a human body and surfaces turned towards the center of the premises.

The criterion of evaluation of microclimate conditions in the premises in consideration of radial constituent of heat exchange was offered.

The system providing with improvement of microclimate conditions through the control of radial constituent of heat exchange and the methods of calculation of the particular elements were designed. As well there was designed the mathematical model of absorptive heat converter for optimization of its work.

Key words: microclimate, human, protection of work, personal and social safety, sanitary hygienically terms, improving labor conditions, radial heating.

Размещено на Allbest.ru

...