Эффективная температура - комбинации из температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха

Эффективной температурой называются все бесчисленные комбинации из температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха, вызывающие одинаковые тепловые ощущения у человека, причем такие, которые возникают в неподвижном, полностью насыщенном влагой воздухе при температуре, численно равной эффективной.

На рисунке 2.1. приведена номограмма, позволяющая находить значения ЭТ для различных сочетаний температуры по сухому, мокрому термометрам и скорости движения воздуха.

Рисунок. 2.1. Номограмма для определения эффективных температур (ЭТ)

Поясним пользование номограммой на следующем примере.

Требуется определить значение ЭТ для воздушной среды помещения, если температура воздуха t = 30 °С, а относительная влажность φ = 40%, для двух случаев: при неподвижном воздухе (w = 0) и при скорости движения воздуха w = 3,5 м/секунд.

Находим на I - d диаграмме температуру смоченного термометра t = 20 °С. Соединяем прямой линией значения t = 30 °С и t' = 20 °С (на рисунке 2.1 линия проведена пунктиром), получаем для неподвижного воздуха ЭТ = 25,1°, для воздуха, имеющего скорость движения w = 3,5 м/сек, ЭТ = 22,4°.

Принято различать эффективную (ЭТ) и эквивалентно-эффективную (ЭЭТ) температуры. Это связано с тем, что шкала эффективных температур распространяется лишь на неподвижный воздух, т. е. учитывает два фактора, а шкала эквивалентно-эффективных температур учитывает еще и влияние скорости движения воздуха. Но мы не станем делать этого различия, а будем пользоваться одним понятием эффективная температура.

Таблица 2.1. Комбинации метеорологических параметров воздуха, соответствующие эффективной температуре 18° (ЭТ = 18°).

Температура t, °C	18	20	18,9	21,1	20,0	22,2	20,0	21,1	22,2	21,1	23,3	24,0
Относительная влажность φ, %	100	49	70	30	69	17	84	55	31	80	25	9
Скорость движения (подвижность воздуха) w, м/сек	0	0	0	0	0,25	0,25	0,5	0,5	0,5	1,0	1,0	1,0

По таблице 2.1 и номограмме (рисунок 2.1) легко проследить, как отдельные метеорологические параметры влияют на тепловое ощущение человека. Например, чем выше температура воздуха по сухому термометру, тем ниже должна быть его относительная влажность для создания одного и того же теплового ощущения, так как усиленное испарение пота компенсирует уменьшение теплоотдачи конвекцией и излучением. Если температура воздуха продолжает повышаться, то для сохранения постоянства в тепловом ощущении необходимо увеличить скорость движения воздуха. Однако эти закономерности справедливы до известных пределов. Как видно из номограммы, при достаточно низких температурах воздуха (ниже 7÷10 °С) относительная влажность оказывает обратное влияние на тепловое ощущение. При таких температурах потоотделение незначительно и основная часть тепла отдается человеком конвекцией и излучением, на которых колебания относительной влажности не сказываются. В то же время повышение влажности воздуха вызывает увеличение теплопроводности одежды, и теплоотдача от тела усиливается. Поэтому при высоких влажностях воздух, имеющий довольно низкую температуру, кажется холоднее, чем сухой воздух при той же температуре (нижняя часть номограммы, расположенная левее шкалы температуры по сухому термометру).

Верхняя часть номограммы иллюстрирует очевидный факт - если температура воздуха выше температуры тела человека (т. е. выше 36 °С), то скорость движения воздуха оказывает на тепловое ощущение обратное действие, так как увеличивает теплоотдачу конвекцией от воздуха к человеку. Шкала эффективных температур имеет несомненные достоинства и интересна в том отношении, что позволяет комплексно учитывать метеорологические параметры воздуха. Она составлена на основании обработки статистических данных по испытаниям достаточно многочисленных групп людей.

Однако следует отметить, что эта шкала обладает существенными недостатками.

Главный из них заключается в том, что эффективная температура не оценивает различий в условиях теплообмена излучением между телом человека и окружающими поверхностями, а также не учитывает климатических особенностей и характера одежды людей.

Недоучет различий в условиях теплообмена излучением (или радиационного фактора) существенно сказывается на полноте оценки метеорологических условий, возникающих в закрытых помещениях, так как доля тепла, теряемого в таких помещениях радиацией, очень велика.

По данным различных исследователей относительные количества теплоотдачи взрослого нормально одетого человека в состоянии покоя и с хорошим тепловым ощущением составляют:

конвекцией - от 15 до 33%,
радиацией - от 44 до 59,7%,
испарением - от 20,7 до 29%.

Человек очень тонко реагирует даже на небольшие изменения температуры ограждений и предметов, расположенных в помещении.

Так, например, во время исследований люди, находившиеся в метеорологической камере, оценивали условия, при которых температура стен и воздуха равнялась 22 °С, словами «приятно тепло». При увеличении температуры стен на 1 °С (23 °С вместо 22 °С при неизменной температуре воздуха 22 °С) оценка была «жарко», «неприятно тепло».

Соответственно при снижении температуры ограждений сильно возрастают теплопотери человека излучением. При одной и той же температуре воздуха и температуре стен 17,7° эти теплопотери составили 56,5 ккал/час, при температуре стен 14,3° - 66,5 ккал/час, при температуре 12,9° - 71 ккал/час. В то же время известно, что уже небольшое повышение теплопотерь излучением (с 2,7 до 3,3 ккал/см2-час) вызывает у человека ощущение холода и снижение температуры кожи на 1,6-2°.

Итак, при оценке метеорологических условий в помещении необходимо учитывать радиационный фактор, определяющий величину теплопотерь человека излучением. Поскольку эти теплопотери зависят от четвертой степени температуры ограждений и оборудования, учет радиационного фактора должен производиться с помощью так называемой средней лучистой температуры (СЛТ):

где F. - площади ограждений и оборудования, имеющие одинаковую среднюю температуру;

Г - средняя температура площадей ограждений и оборудования. С достаточной для практической цели степенью точности можно СЛТ заменять средней температурой поверхностей ограждений и оборудования:

Комплексное действие на человеческий организм температуры воздуха и средней температуры поверхностей ограждений учитывается с помощью радиационно-эффективной температуры (РЭТ). Номограмма для определения радиационно-эффективных температур приведена на рисунке 2.2. На оси абсцисс отложены значения температуры воздуха, а на оси ординат - значения средних температур поверхностей ограждений. Пунктирные прямые линии представляют собой геометрические места сочетаний температур воздуха и поверхностей ограждений, дающих одинаковые значения радиационно-эффективной температуры.

Таким образом, радиационно-эффективной температурой можно назвать все комбинации из температуры воздуха и температуры поверхностей ограждений, создающие одинаковые тепловые ощущения у человека, причем такие, которые возникают в помещении с равными значениями этих температур, численно совпадающими с РЭТ.

Шкала радиационно-эффективных температур не учитывает влияния таких существенных компонентов метеорологического фактора, как относительная влажность и скорость движения воздуха. Этой шкалой можно пользоваться для оценки условий, создающихся в помещениях с относительно неподвижным воздухом и различными значениями температур воздуха и поверхностей ограждений.

Рисунок. 2.2. Номограмма для определения радиационно эффективных температур (РЭТ)

Рисунок. 2.3. Номограмма для определения результирующих температур РТ

Для полного учета всех метеорологических параметров предложен комплексный параметр, называемый результирующей температурой (РТ). На рисунке 2.3 приведена номограмма, позволяющая определять результирующую температуру.

Как видим, она отличается от номограммы эффективных температур:

во-первых, в нее добавлены две шкалы: влагосодержание воздуха в Г/кГ сухого воздуха, или упругость водяного пара в воздухе в мб (шкала III), и скорость движения воздуха в м/сек (шкала IV)-,
во-вторых, шкала I используется для нахождения вспомогательной величины JV, позволяющей вычислять «сухую» результирующую температуру (СРТ), а на шкале Я откладываются абсолютные значения (независимо от знака) разности между значениями средней лучистой температуры (СЛТ), которая может быть заменена температурой поверхностей ограждений, и температуры воздуха по сухому термометру (СЛТ - t).

Поясним пользование номограммой на следующих примерах.

Температура воздуха в помещениях t — 26 °С, средняя лучистая температура СЛТ = 29 °С, относительная влажность воздуха <р - 65%, скорость движения (подвижность) воздуха w = 0,15 м/секунд.

Определить значение результирующей температуры. Найдем по температуре и относительной влажности воздуха на 7 - d диаграмме величину влаго-содержания d = 14 Г/кГ. Определим разность СЛТ - ? - 29 - 26 - 3°С. Отложив на шкале II СЛТ -1 - 3° и на шкале ГУ w - 0,15 м/сек, на шкале / найдем вспомогательную величину N= 1,8 °С. Определим «сухую» результирующую температуру СРТ = ? + N= 26 + 1,8 = 27,8°. Отложив на шкале I СРТ - 27,8° и на шкале III d= 14 Г/кГ, при w = 0,15 м/сек, получим на шкале для РТ искомое значение РТ = 25°. Соответствующее построение выполнено на рисунке 2.3 пунктирными линиями.

В помещении сохраняются те же условия, за исключением температур поверхностей ограждений, которые соответствуют СЛТ = 23 °С. В этом случае порядок решения задач остается прежним, но величина N получает отрицательное значение: N= -1,8, поэтому СРТ = 26 - 1,8 = 24,2. Отложив эту величину на шкале I, по тем же значениям d и w получим (штрих- пунктирная линия) на шкале для РТ новое значение РТ = 23°.

Таковы существующие методы учета комплексного воздействия на человека метеорологических параметров воздушной среды закрытых помещений.

Сущность санитарно-гигиенических требований к метеорологическим параметрам воздуха заключается в том, что эти параметры должны обеспечивать наилучшие условия для отвода тепла, вырабатываемого в человеческом организме. Таким условиям отвода тепла соответствует наилучшее тепловое ощущение человека. Поэтому обычно их называют комфортными. В комфортных условиях наблюдается хорошее самочувствие и высокая работоспособность человека. Комфортные условия различны для людей, занятых трудом разной интенсивности.

Если использовать шкалу эффективных температур, то, по данным США, для людей, не совершающих физической работы, зона комфорта лежит в области ЭТ = 17+21°, при этом наилучшей является ЭТ = 18°. Естественно, что эти величины не могут быть распространены для всех климатических районов СССР. Для средней полосы Европейской части Советского Союза зона комфорта для людей, занятых умственным трудом, лежит в пределах ЭТ = 14+18°. Для людей, занятых физической работой, зона комфорта иная - ЭТ = 12+16°.