Вивчення впливу повітряних потоків при функціонуванні побутових кондиціонерів на деякі функції терморегуляції людини

Широке застосування спліт-систем у житлових приміщеннях призводить до виникнення ряду питань стосовно місця їх розміщення та критеріїв гігієнічної оцінки роботи кондиціонерів.

Параметри мікроклімату на Україні в житлових приміщеннях нормуються згідно з вимогами ДБН В.2.5−67:2013 [27], МУ № 2295−81 [51], ДБН В.2.2−15:2005 [24], ДСТУ Б EN 15 251:2011 [71].

Таблиця 5.1. Оптимальні параметри мікроклімату в житлових приміщеннях у теплий період року

З таблиці 5.1 видно, що вимоги до температури повітря в документах відрізняються. Для проектування та експлуатації будинків в європейських нормах прийнята температура повітря в літній період +24…+26 °С, а у Великобританії +28 °С [84], що значно перевищує вставлені в наших МУ № 2295−81 [51]. В ДБН В.2.5−67:2013 [27] не встановлені чіткі норми щодо швидкості руху повітря, а використовується залежність температури та інтенсивності турбулентності для визначення допустимої швидкості руху повітря.

Важливим етапом для гігієнічної оцінки параметрів мікроклімату є визначення точок спостереження. Результати проведеного аналізу нормативних документів щодо місця визначення температури та швидкості руху повітря в житлових приміщеннях представлені в табл. 5.2.

Таблиця 5.2. Вимоги до визначення температури та швидкості руху повітря в житлових приміщеннях

Як видно з таблиці 5.2, вимогами ГОСТ 30 494–2011 [31] передбачено визначення температури та швидкості руху повітря в обслуговуємому просторі визначать на трьох рівнях: на висоті 0,1; 0,6; 1,7 м (в приміщеннях, де люди перебувають переважно в положенні сидячи). Якщо врахувати вимоги, наведені в [86], то температуру повітря в приміщенні необхідно визначати в трьох місцях та на трьох рівнях: біля зовнішньої стіни, в центрі, біля внутрішньої стіни (напроти зовнішньої), дослідження проводять в 9 точках на відстані 0,15 — 0,2 м від підлоги, на рівні 1,5 м та на відстані 0,15 — 0,2 см від стелі. Стандарт ASHRAE [145] вимагає визначати швидкість руху та температуру повітря в приміщенні, де люди перебувають в положенні сидячи, на висоті 0,1; 0,6; 1,1 м; на висоті 0,1; 1,1; 1,7 м від підлоги при перебуванні людини переважно в положенні стоячи.

З урахуванням наведених вище даних, та того, що середній зріст українця становить приблизно 1,7 м, тому вважаємо за доцільне, що при перебуванні людини в положенні сидячи, в дослідженнях використовувати вимоги встановлені стандартом [145], так як вони дають детальну інформації безпосередньо в точці спостереження.

Враховуючи вище викладене, ми вирішили за допомогою умовно змодельованої ситуації дати гігієнічну оцінку умов встановлення локальних систем кондиціонування повітря в житлових приміщеннях.

Умови проведення експерименту представлені в розділі 2.

При проведенні експерименту визначали: температуру огороджувальних конструкцій; температуру; відносну вологість; швидкість руху повітря; інтенсивність турбулентності; швидкість руху повітря на виході з кондиціонеру.

Середня тривалість роботи кондиціонеру на охолодження складала приблизно 4 години. При проведених дослідженнях відносна вологість коливалась в межах від 56 до 59%.

В приміщенні використали 3 точки спостереження. Перше місце (т. 2) знаходиться на відстані 1,5 м від вікна та 2,15 м від кондиціонеру. Друге місце (т.1) знаходиться на відстані 0,2 м від кондиціонеру та на відстані 1,2 м від вікна. План приміщення та розміщення точок спостереження показано на рис. 5.1.

Рис. 5.1 — План приміщення та розміщення точок спостереження

Протягом 10 днів (в період з 17.07.2014 р. до 31.07.2014 р.) визначали розподіл температури в т. 1 та т. 2 на 3-х рівнях: на висоті 0,1 м; 0,6 м; 1,1 м та в центрі приміщення на висоті 0,1 м та 1,1 м.

На рис. 5.2 представлена фонова температура повітря в приміщенні до роботи кондиціонеру.

Рис. 5.2 — Фонова температура повітря в приміщенні

Температура зовнішнього повітря на рівні 7-го поверху будинку на відстані 0,5 м від вікна представлена на рис. 5.3.

Рис. 5.3 — Фонова температура зовнішнього повітря

Як видно з рис. 5.4, 5.5, тенденція зниження температури повітря в різних точках приміщення відрізняється та залежить не лише від висоти точки виміру, а й від віддаленості від кондиціонеру. Проаналізувавши отримані дані зміни температури повітря в приміщенні, можна стверджувати, що після включення кондиціонеру температура знижується на протязі 1 год.

Рис. 5.4 — Температура повітря при роботі кондиціонеру в об'ємі приміщення (висота 0,1 м)

Рис. 5.5 — Вплив роботи кондиціонеру на розподіл температури повітря в приміщенні (висота 1,1 м)

З результатів проведених досліджень (рис. 5.4, 5,5) видно, що температура повітря в приміщенні при роботі кондиціонеру змінюється по-різному. Так, наприклад, за годину роботи кондиціонеру в т. 1 на рівні 0,1 м температура знизилась майже на 5 °C, а на висоті 1,1 м — менш ніж на 2 °C. В центрі приміщення спостерігаємо зменшення температури на 6 °C на рівні 0,1 м та на 5 °C на висоті 1,1 м. В т.2 температура знизилась майже на 7 °C на рівні 0,1 м, а на висоті 1,1 м — приблизно на 3 °C.

Різниця температури повітря по вертикалі в т.1 і т.2 до та під час роботи кондиціонеру представлена на рис. 5.6.

Рис. 5.6 — Зміна температури повітря в приміщенні до та під час роботи кондиціонеру

З рис. 5.6 видно, що фонова температура повітря в приміщенні була рівномірно розподілена та вертикальна стратифікація в середньому становила 1 °C, а під час роботи спліт-системи змінюється не рівномірно. Проаналізувавши отримані дані, можна стверджувати, що робота локальних систем кондиціонування повітря призводить до вертикальної стратифікації температури. Отримані значення температури відрізняються в 2-ох точках, хоча відстань між ними не перевищує 1,5 м. Якщо ж використовувати графіки для визначення локального дискомфорту викликаного вертикальною стратифікацією температури, що наведені в стандартах [29, 145], то такі умови будуть викликати дискомфорт приблизно від 9 до 19% людей, що перебувають в даному приміщенні.

Під час досліджень, протягом 10 днів, спостерігалось підвищення температури повітря на висоті 1,1 м в т.1, навіть при роботі кондиціонеру (рис. 5.6). Таке зростання температури тривало приблизно 1 год. При цьому середня різниця температури по вертикалі в даній точці складала 7,9 °С. Якщо ж розрахувати відсоток незадоволених такою різницею температури за формулою стандарту [29], то він становить 74%.

На температурну стратифікацію впливає наявність вікна в приміщенні. Вплив холоду або тепла від прозорих огороджувальних конструкцій стає незначним лише на відстані 3 м від вікна [128]. Хоча місця тривалого перебування людей в приміщенні дуже часто знаходяться значно ближче.

Дослідження температури огороджувальних конструкцій проводили в трьох точках на кожній частині окремо. Температуру зовнішньої стіни ми визначали умовно розділивши її на дві окремі частини: панельна стіна та вікно. При проведенні експерименту вікно було закрите вертикальними жалюзями. Температуру поверхні вікна визначали на поверхні жалюзів.

Зміна температури огороджувальних конструкцій до роботи та після 4-х годинної роботи кондиціонеру показана в табл. 5.3.

Таблиця 5.3. Зміна температури огороджувальних конструкцій при роботі кондиціонеру

Як видно з таблиці 5.3, при роботі кондиціонеру температура огороджувальних конструкцій змінюється приблизно на 2 °C.

Швидкість руху повітря при трьох швидкісних режимах роботи кондиціонеру в приміщенні при роботі системи кондиціювання визначали в 8-ми точках протягом 10 днів: в т.1 та т.2 на висоті 0,1 м, 0,6 м, 1,1 м та в геометричному центрі приміщення на двох рівнях: 0,1 м та 1,5 м відповідно. Умовно охарактеризували ці режими як мінімальний, середній та максимальний.

Середня швидкість руху повітря на виході з кондиціонеру представлена в табл. 5.4.

Таблиця 5.4. Швидкість руху повітря на виході з кондиціонеру

Обробка результатів замірів швидкостей руху повітря при різних режимах роботи кондиціонеру показала, що отримані дані для середнього та максимального режиму статистично не відрізняються.

Результати проведених досліджень швидкості руху повітря в приміщенні при роботі спліт-систем представлені на рис. 5.7.

Рис. 5.7 — Швидкість руху повітря в приміщенні на висоті 0,1 м від підлоги (при трьох режимах роботи кондиціонеру)

В результаті проведених досліджень максимальні швидкості руху повітря спостерігались на рівні 0,1 м. З рис. 5.7 видно, що найбільша швидкість спостерігається в т. 2 та сягає уже досить великих значень. Суб'єктивне сприйняття отриманої швидкості руху повітря в т. 2, згідно з таблицею 1.3, можна охарактеризувати наявністю відчуття протягу.

В порівнянні середня швидкість руху повітря на рівні 1,1 м в т. 1 становить 0,05 м/с, а в т. 2 взагалі відсутня.

Інтенсивність турбулентності розрахована за формулами [106], в т. 1 на висоті 0,1 м, коливається в межах від 21 до 34%, а в т.2 — від 28 до 37%. В центрі приміщення ця ж величина коливається в межах від 37% до 40%. Отримані дані інтенсивності турбулентності (табл. 5.5) можна використати для визначення відсотка незадоволених швидкістю руху повітря в приміщенні.

Таблиця 5.5. Інтенсивність турбулентності в приміщенні (при роботі кондиціонеру в різних режимах швидкості)

Якщо порівняти розрахункові дані інтенсивності турбулентності та визначеної температури з графіками комфортного перебування людини в приміщенні [73], при температурі від 23 до 27 °C та інтенсивності турбулентності 40%, то максимальна швидкість руху повітря не повинна перевищувати 0,24 м/с.

Для визначення відсотка незадоволених швидкістю руху повітря використовували рівняння Фангера [104]. Локальна температура повітря однакова при різних режимах швидкості роботи системи кондиціювання. Розрахунки відсотка незадоволених наявністю протягу провели для мінімального режиму роботи кондиціонеру.

Рис. 5.8 — Відсоток незадоволених швидкістю руху повітря в приміщенні при роботі кондиціонеру

Результати розрахунків кількості незадоволених відчуттям протягу (рис 5.8) показали, що швидкість руху повітря на висоті 0,1 м при перебуванні людини в т.2 викличе 77% незадоволених, а в т.1 — 19%, в центрі - 18%.

Враховуючи, що при роботі систем кондиціонування збільшується кількість скарг щодо недостатньої якості повітря приміщення [70] нами були проведені дослідження якості повітря при функціонуванні спліт-систем по концентрації СО2 в теплий період року. Ще в 1970;ті роки ВООЗ ввели поняття «синдром хворого будинку», що характеризується низькою якістю повітря в приміщенні [109]. «Синдром хворого будинку», пов’язаний з високою концентрацією СО2, характеризується такими симптомами, як головний біль, почервоніння очей, головокружіння, порушення уваги [105].

Якість повітря в приміщенні в значній мірі залежить від якості зовнішнього повітря, ми провели дослідження концентрації СО2 на фасаді багатоповерхового будинку громадського призначення за адресою м. Київ, вул. Попудренка, 50 (рис. 5.9).

Рис. 5.9 — Результати дослідження концентрації СО2 в повітрі прифасадного простору громадського будинку (з 17.07.2014 р. по 31.07.2014 р.)

Як бачимо з рис. 5.9, концентрація СО2 в прифасадному просторі не є постійною величиною і вже сягає досить високих значень.

Для порівняння представимо дані по концентрації СО2 в прифасадному просторі, визначені в 2012 р. (рис. 5.10).

Рис. 5.10 — Результати дослідження концентрації СО2 в повітрі прифасадного простору громадського будинку (з 19.07.2012 р. по 17.08.2012 р.)

Проаналізувавши отримані дані (рис. 5.9, 5.10), можна стверджувати, що концентрація СО2 в прифасадному просторі значно збільшилась в 2014 р. в порівнянні з 2012 р.

Якщо порівнювати результати нашого дослідження та запропоновані рівні забруднення зовнішнього повітря СО2 в стандартах [71], то бачимо, що вже є значні перевищення.

Дослідження якості повітря при роботі систем кондиціонування по концентрації СО2 представлені на рис. 5.11.

Рис. 5.11 — Концентрація СО2 в приміщенні при функціонуванні спліт-системи

З рис. 5.11 видно, що концентрація СО2 невпинно зростає і вже через 3 години роботи в приміщенні, при недостатній вентиляції (кратність повітрообміну менше 0,1 (1/год), складає майже 1987 мг/м3, що перевищує діючий в Україні норматив 1830 мг/м3 [51]. При перебуванні двох людей в приміщенні концентрація СО2 вже через 1 годину, складає майже 2000 мг/м3.

Використовуючи формулу, наведену в роботі американського вченого А. Персілі [133], можна визначити кількість незадоволених якістю повітря за концентрацією СО2.

Рис. 5.12 — Кількість незадоволених якістю повітря приміщення (за концентрацією СО2)

З рис. 5.12 видно, що при концентрації СО2 в зовнішньому повітрі 915 мг/м3, при роботі кондиціонеру та недостатній вентиляції вже через 1 год, прогнозовано матимемо 20% незадоволених якістю повітря.

Таким чином в результаті проведених досліджень доведено, що функціонування спліт-систем створює в обслуговуємому просторі приміщення нерівномірність мікрокліматичних параметрів (швидкість руху повітря, ступінь турбулентності, вертикальна стратифікація температури, температура огороджувальних конструкцій), які являються потенційним джерелом теплового дискомфорту людини.

Встановлено, що робота побутових кондиціонерів створює умови локального дискомфорту, які прогнозовано викличуть кількість незадоволених в межах від 19 до 74%.

Доведено, що при роботі локальних систем кондиціювання ступінь турбулентності повітряного потоку коливається в межах від 6 до 51% і потенційно приводить до кількості незадоволених швидкістю руху повітря в приміщенні від 18% до 77%.

Встановлено, що робота кондиціонерів (при недостатньому повітрообміні) призводить до збільшення кількості незадоволених якістю повітря (на прикладі концентрації СО2).