Что такое параметры HVAC и зачем их рассчитывают?
07.05.2020
Дмитрий Евстратов
Для начала нам необходимо понять, что такое HVAC, и каким образом эта странная аббревиатура касается каждого из нас. HVAC (Heating, Ventilation, & Air Conditioning) — технологии систем поддержания необходимых требований температуры, влажности и чистоты воздуха. Применимо данное определение безусловно для любых закрытых помещений, в которых подразумевается нахождение человека, животных, растений, в том числе и салоны любых транспортных средств. Также различное оборудование и предметы искусства не обходятся без работы аналогичных систем. На русском языке HVAC ничто иное, как ОВиК, они же системы Отопления, Вентиляции и Кондиционирования. Исходя из расшифровки самой аббревиатуры можно определить основной набор функций, которые выполняют данные системы.
HVAC—системы подразделяются по принципу расположения на центральные и локальные. Центральные обычно располагаются вдали от объекта, а доставка охлажденного/нагретого воздуха или воды осуществляется с помощью систем воздуховодов и трубопроводов. Локальные системы могу располагаться как в непосредственной близости, так и внутри зданий или отдельных помещений. Радиаторы в жилых домах, квартирах, офисах, кондиционеры, установленные в тех же домах или на рабочем месте — самые простые примеры компонентов систем ОВиК. Дополнить этот список могут различные фанкойлы, вентиляционные системы, увлажнители и осушители воздуха, ионизаторы и даже теплые полы (как электрические, так и водяные). Организация системы ОВиК не обязательно должна включать в себя все вышеперечисленное. Главная задача для данных устройств в различных сочетаниях и компоновке обеспечивать поддержание параметров воздуха в требуемых пределах.
О каких же параметрах идет речь? Температура? Влажность? Перечень оцениваемых параметров при проектировании подобных систем не ограничивается лишь этими параметрами. Существует набор из шести основополагающих факторов поддержания комфортного состояния в любом замкнутом помещении. Начнем с первых четырех: температура воздуха, лучистая температура, скорость движения воздуха и влажность. Если с температурой воздуха все достаточно просто и понятно, то остальные три параметра рассмотрим подробнее.
Мы точно знаем, что любое нагретое тело способно излучать тепло в окружающую среду (читайте статью «Почему так важен расчет сопряженного теплообмена?»). Температура данного излучения существенно влияет на температуру воздуха в помещении, в отдельных его зонах, а также напрямую влияет на то, как человек получает или теряет тепло, находясь в данном помещении. Солнечные лучи, пробивающиеся через окно и теплые радиаторы — данные источники тепла точно оказывают влияние практически на любое помещение.
Первый наглядный пример, каким образом скорость воздуха в помещении влияет на общее чувства комфорта: представим офисную комнату небольшого размера, примерно 30-40 квадратных метров, в которой за компьютерами работают 7 человек. Через 2-3 часа после начала рабочего дня большинство придет к выводу: «Душно, давайте проветримся!».
Мы точно знаем, что любое нагретое тело способно излучать тепло в окружающую среду (читайте статью «Почему так важен расчет сопряженного теплообмена?»). Температура данного излучения существенно влияет на температуру воздуха в помещении, в отдельных его зонах, а также напрямую влияет на то, как человек получает или теряет тепло, находясь в данном помещении. Солнечные лучи, пробивающиеся через окно и теплые радиаторы — данные источники тепла точно оказывают влияние практически на любое помещение.
Первый наглядный пример, каким образом скорость воздуха в помещении влияет на общее чувства комфорта: представим офисную комнату небольшого размера, примерно 30-40 квадратных метров, в которой за компьютерами работают 7 человек. Через 2-3 часа после начала рабочего дня большинство придет к выводу: «Душно, давайте проветримся!».
При минимальном движении воздуха в помещение складывается ощущения «застоя» и «духоты», что естественно негативно сказывается на работоспособности и общем состоянию человека. С другой стороны, несколько открытых окон на режиме «проветривания» могут способствовать увеличению скорости движения воздуха внутри помещения, что существенно скажется на вынужденной конвекции тепла от человека в окружающую среду и мы почувствуем сквозняк. Особенно этот эффект заметен в холодное время года.
Влажность воздуха — с одной стороны не самый сложный параметр в нашей формуле комфортности, однако, для поддержания ее в комфортных или заданных пределах нужно приложить немало усилий. Оптимальный предел уровня влажности в помещении для комфортного пребывания человека определен в 40 — 70%. Высокие значения относительной влажности воздуха препятствуют испарению пота с кожи человека, а слишком низкие значения могут привести к ощущению сухости, что, в основном, сильно сказывается на слизистых оболочках. Думаю, что многим знакомо ощущение сухости в носу, неприятный зуд и так далее.
Несмотря на то, что большая часть примеров приведена в соответствии с ощущением комфорта именно для человека, данные параметры в совершенно разных пределах и допущениях также справедливы и для нахождения в помещении животных, растений, различного оборудования и предметов искусства.
Влажность воздуха — с одной стороны не самый сложный параметр в нашей формуле комфортности, однако, для поддержания ее в комфортных или заданных пределах нужно приложить немало усилий. Оптимальный предел уровня влажности в помещении для комфортного пребывания человека определен в 40 — 70%. Высокие значения относительной влажности воздуха препятствуют испарению пота с кожи человека, а слишком низкие значения могут привести к ощущению сухости, что, в основном, сильно сказывается на слизистых оболочках. Думаю, что многим знакомо ощущение сухости в носу, неприятный зуд и так далее.
Несмотря на то, что большая часть примеров приведена в соответствии с ощущением комфорта именно для человека, данные параметры в совершенно разных пределах и допущениях также справедливы и для нахождения в помещении животных, растений, различного оборудования и предметов искусства.
Мы рассмотрели четыре основных фактора. Два оставшихся — это те параметры, которые напрямую связаны с человеком, а в некоторых случаях справедливы и для животных.
Тепловое сопротивление одежды напрямую влияет на поддержание комфортного состояния человека в условиях окружающей среды в помещении или транспорте. Слишком большое количество одежды может быть основной причиной теплового стресса, даже если окружающая среда не считается теплой или горячей. И наоборот, если одежда не обеспечивает достаточной теплоизоляции, можно получить переохлаждение, а иногда и более серьезные травмы, связанные с обморожением конечностей.
И последний фактор, но не менее важный — это метаболизм. Чем больше мы двигаемся, чем больше физической активности присутствует в нашей деятельности, тем больше тепла мы производим. Данное тепло организм должен рассеивать в окружающую среду. Тем самым мы, даже сидя за столом, при минимальной физической активности нагреваем окружающий нас воздух теплом тела. Уровень метаболизма фактически описывает скорость преобразования химической энергии в тепловую и в механическую работу за счет метаболической активности внутри организма. Для примера, человек, идущий со скоростью 5 км/ч выделяет 110 Вт/м2 тепла с поверхности тела. Сидячая работа (офис, удаленная работа из дома, школа, университет) заставляет наше тело выделять приблизительно 70 Вт/м2 тепла.
А теперь попробуйте совместить все эти параметры в единую математическую модель. Как учесть все сразу? Даже с применением осреднений, упрощений задача не выглядит тривиальной и требует серьезных расчетов. Возьмем снова пример знакомый каждому — поездка в автобусе, маршрутном такси зимой или летом.
И последний фактор, но не менее важный — это метаболизм. Чем больше мы двигаемся, чем больше физической активности присутствует в нашей деятельности, тем больше тепла мы производим. Данное тепло организм должен рассеивать в окружающую среду. Тем самым мы, даже сидя за столом, при минимальной физической активности нагреваем окружающий нас воздух теплом тела. Уровень метаболизма фактически описывает скорость преобразования химической энергии в тепловую и в механическую работу за счет метаболической активности внутри организма. Для примера, человек, идущий со скоростью 5 км/ч выделяет 110 Вт/м2 тепла с поверхности тела. Сидячая работа (офис, удаленная работа из дома, школа, университет) заставляет наше тело выделять приблизительно 70 Вт/м2 тепла.
А теперь попробуйте совместить все эти параметры в единую математическую модель. Как учесть все сразу? Даже с применением осреднений, упрощений задача не выглядит тривиальной и требует серьезных расчетов. Возьмем снова пример знакомый каждому — поездка в автобусе, маршрутном такси зимой или летом.
При несоблюдении одного из условий корректной работы климат контроля, который, к слову, управляет всеми системами вентиляции, фильтрации, охлаждения или подогрева воздуха, поездка превратится в выживание. Единственная мысль при включенной на максимум печке в электричке, автобусе или автомобиле — побыстрее бы добраться до пункта назначения и выйти отсюда, вдохнуть свежего воздуха. Или ситуация с открыванием окна в условиях летней жары. Одни скажут, чтобы открыли окно пошире, другие будут все время чувствовать сквозняк. Все это происходит из-за локальных изменений градиентов скорости потока и его температуры.
Подобные ситуации возникают из-за взаимного влияния всех факторов комфортности. Поэтому при проектировании рабочих помещений и любого вида транспорта следует применять инструменты моделирования и расчета HVAC-систем. Комбинации описанных ранее факторов, а также учет различных медицинских требований, позволяют специалистам прогнозировать и моделировать различные ситуации с помощью инструментов инженерного анализа. Некоторые математические модели позволяют заранее оценить такой параметр, как прогнозируемый процент недовольных качеством среды и на раннем этапе проектирования определить, какому проценту людей в вагоне поезда будет жарко, а кому и где будет постоянно дуть.
Подход с применением инженерного анализа положительно сказывается на условиях пребывания и поддержания комфортного состояния человека на рабочем месте, дома, в транспорте, торговых центрах, медицинских учреждениях и других общественных местах.
Поделиться в соц.сетях
Подписаться на рассылку
Раз в месяц мы рассылаем электронный журнал, где в удобном структурированном виде публикуем свежие видео-стримы, статьи и анонсы событий