VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изменение относительной влажности воздуха в зависимости от отопительного сезона
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Оптимальная жизнедеятельность живого человека требует сохранения ряда параметров окружающей среды в определенных пределах. К таким параметрам относится влажность воздуха. Отклонение уровня влажности в сторону уменьшения или увеличения может приводить к разнообразным нарушениям здоровья. Современные жилые и офисные здания характеризуются целым рядом нарушений гигиенических нормативов, которые можно представить как "синдром больного здания". Цель работы: изучить динамику относительной влажности воздуха в квартире в зависимости от отопительного сезона и предложить методы ее нормализации.
Задачи:
Изучить понятие влажности, методы её определения и нормы влажности
Измерить показания влажности в квартире за 3 месяца
Выявить зависимость показаний влажности в квартире и на улице в отсутствии отопления и в отопительный сезон
Экспериментальным путём подобрать методы нормализации влажности воздуха в помещении
Гипотеза:
Значение влажности воздуха в помещении зависит от изменения влажности на улице в отсутствии отопления и не зависит в отопительный сезон.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Понятие влажности. Абсолютная и относительная влажность
Влажность воздуха — это величина, характеризующая содержание водяных паров в атмосфере Земли — одна из наиболее существенных характеристик погоды и климата.
Абсолютная влажность воздуха — это количество водяного пара, фактически содержащегося в 1 м³ воздуха. Определяется как отношение массы содержащегося в воздухе водяного пара к объёму влажного воздуха (грамм на кубический метр). Например, влажность воздуха 10 г/м3 означает, что в одном кубическом метре воздуха содержится 10 г водяного пара.
Величина абсолютной влажности растет с увеличением температуры. Так, самая низкая абсолютная влажность наблюдается в Антарктиде (сотые доли грамма на кубометр), а самая высокая – на экваторе (23 г/м3)
Для каждой температуры есть максимальное значение абсолютной влажности, которое не может быть превышено. Чем выше температура воздуха, тем выше максимальная абсолютная влажность (рисунок 1).
Относительная влажность воздуха — это отношение его текущей абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности при данной температуре. Например, относительная влажность равняется 70 %. Это значит, что воздух содержит 70 % того водяного пара, которое он может вместить при данной температуре.
Именно относительную влажность измеряют все приборы - гигрометры. Данные по относительной влажности ежедневно сообщают метеослужбы.
Рисунок 1. Зависимость максимальной абсолютной влажности от температуры воздуха
Примером изменения относительной влажности при изменении температуры воздуха является выпадение росы (или инея): при снижении температуры воздуха уменьшается максимальная абсолютная влажность, следовательно, растет относительная влажность и при достижении относительной влажности 100% образуется конденсат. Точка росы - температура газа, при которой газ насыщается водяным паром.
Точка росы при определённой температуре – это табличное значение. С использованием справочных таблиц или графиков можно решать разные задачи на вычисление абсолютной, относительной влажности и точки росы (рисунок 2).
Рисунок 2. Температура точки росы для некоторых значений температур и относительной влажности воздуха
Нормы влажности воздуха. Влияние повышенной
и пониженной влажности на организм
В помещениях с повышенной влажностью неизбежно начинает образовываться плесневые грибки, которые являются возбудителями всевозможных аллергических реакций дыхательных путей. Попадая в продукты питания, они могут привести к серьезным отравлениям, но главная опасность плесневых грибков при попадании в организм, то, что они могут заносить инфекцию в любой орган человека. Кроме этого повышенная влажность ускоряет процесс старения кожи.
Особенно сильно реагируют на высокую влажность больные гипертонической болезнью, атеросклерозом, люди с различными сердечно-сосудистыми заболеваниями. При сильно влажном воздухе (80…95%) возможны обострения и приступы. При температуре окружающей среды +25°C и выше и одновременно влажном воздухе нарушается отдача тепла с поверхности кожи, и организм может перегреться. Первые признаки избыточного тепла: ощущение духоты и тяжести, ухудшение самочувствия, пониженная работоспособность.
Постоянное пребывание человека в помещениях с высокой влажностью приводит к снижению сопротивляемости организма к инфекционным и простудным заболеваниям, а также к более серьезным последствиям: заболеванию почек, туберкулезу, ревматизму и т.д.
Так же вредна и низкая влажность. Низкая относительная влажность (до 5—7 %) в помещениях квартиры, офиса отмечена в регионах с продолжительным стоянием низких отрицательных температур наружного воздуха. Обычно продолжительность до 1—2 недель при температурах ниже «−20» °С приводит к высушиванию помещений. Значительным ухудшающим фактором в поддержании относительной влажности является воздухообмен при низких отрицательных температурах. Чем больше воздухообмен в помещениях, тем быстрее в этих помещениях создаётся низкая относительная влажность. При низкой влажности воздуха затрудняется поступление кислорода в организм человека и его участие в дыхательном процессе. Сухой воздух вызывает ухудшение самочувствия, быструю утомляемость организма, снижает сосредоточенность. Длительное пребывание в помещении с низкой влажностью вызывает высыхание слизистых оболочек дыхательных путей, существенно ослабляет их защитные функции.
Наиболее комфортно человек чувствует себя при влажности воздуха: летом – от 60 до 75%; зимой от 55 до 70%.
Методы измерения влажности воздуха
В практике наиболее широко применяются следующие методы определения влажности воздуха: психрометрический, метод точки росы, гигрометрический и массовый.
Психрометрический метод основан на использовании прибора, называемого психрометром, который состоит из двух расположенных рядом термометров. Один из термометров, обычный, называется сухим, измеряющим температуру t воздуха. Баллончик с расширяющейся жидкостью другого термометра обертывают легкой гигроскопической тканью, например батистом, в виде чехла, нижний конец которого опускают в сосуд с водой. Вода по чехлу, как по фитилю, поднимается к баллончику и постоянно смачивает его. На испарение воды с ткани расходуется теплота парообразования, что приводит к понижению температуры влажной ткани и постепенному снижению показаний мокрого термометра. Вследствие образующейся разности температур теплота от окружающего воздуха начинает поступать к влажной ткани. Температура мокрого термометра будет снижаться до такого значения, при котором количество скрытой теплоты, расходуемой тканью на испарение, станет равным количеству явной теплоты, отдаваемой воздухом ткани. Установившееся значение tм (температуры мокрой ткани и слоя насыщенного воздуха около нее) называют температурой мокрого термометра для воздуха данного состояния. Этот процесс тепловлагообмена между воздухом и водой, т. е. насыщения воздуха, считается адиабатическим, так как воздух и вода обмениваются внутренним теплом без отвода или подвода его извне (вне системы воздух-вода). Разность показаний сухого и мокрого термометров (t – tм) называется психрометрической разностью или депрессией мокрого термометра. Она тем больше, чем суше воздух, т. е. чем меньше его относительная влажность. Психрометры, не рассчитанные на непрерывную подачу воды от фитиля, имеют высокотемпературный предел, обусловленный тем, что вода, смачивающая фитиль, может испаряться быстрее, чем устанавливается равновесие в колбе с влажным воздухом. Обычно полагают, что температура +40 оС является пределом.
Метод точки росы (конденсационный гигрометр). Метод основан на измерении температуры tрос воздуха, охлаждаемого, например, металлической неокисляемой зеркальной поверхностью (в момент начала выпадения капельной влаги на зеркале фиксируется его температура). Основными элементами гигрометра являются зеркало и система регулирования его температуры, датчик для измерения температуры зеркала (платиновый термометр сопротивления или термопара), источник светового пучка и оптический детектор. Источник света освещает металлическое зеркало таким образом, чтобы в отсутствие конденсата свет на детектор не попадал. Затем производится охлаждение зеркала (эффект Пельтье, блок охлаждения, сухой лед, жидкий азот и т.п.) вплоть до появления конденсации. При появлении слоя росы или инея рассеянный свет попадает на детектор, который через систему подстройки дает команду на подогрев зеркала. При повышении температуры роса исчезает и исчезает также рассеянный свет, что вновь приводит к охлаждению зеркала. С помощью надлежащей настройки можно получить слой конденсата определенной толщины и достичь, таким образом, равновесного состояния между паром и его конденсатом. Датчик температуры, прикрепляемый к обратной стороне зеркала, позволяет измерить его температуру. Конденсационный гигрометр – единственный прибор, рабочий диапазон измерений которого достаточно широк: от –70 °С до +100 °С (в ряде случаев даже выше). Некоторые гигрометры этого типа предусматривают возможность функционирования при температурах вплоть до 180 С для измерения точки росы кислот или для проведения измерений под давлением.
Наиболее простым методом точки росы является метод стакана. Этот способ не может похвастаться точностью, но можно с уверенностью сказать, что все необходимое для измерения влажности есть в каждом доме. Стакан с холодной водой помещается в холодильник на несколько часов, пока температура воды в емкости не остынет до 3 — 5 ºС. Затем охлажденный стакан с водой устанавливается в помещении, в котором измеряется влажность вдали от отопительных приборов или горячей батареи.
Если поверхность стакана сначала покрылась конденсатом и запотела, а потом в течение 5-10 минут полностью высохла – воздух в помещение очень сухой
Если в течении 5-10 минут, после того как вы разместили стакан в помещении на его стенках образовались крупные капли конденсата и они начали стекать по стенкам стакана, то воздух в помещении очень влажный
Если по истечению 5-10 минут поверхность стакана не высохла, но и не потекла, то воздух в помещении средней влажности
Гигрометрический метод основан на эффекте изменения длины нити из того или иного гигроскопического материала (обезжиренные волосы, капроновая нить и др.) при изменении влажности окружающего воздуха. Приборы, реализующие этот метод, получили название гигрометров. Чем суше воздух, тем короче становится чувствительный элемент прибора (нить, связанная системой рычагов со стрелкой, указывающей текущее значение относительной влажности φ на градуированной шкале).
К простейшим природным гигрометрам можно отнести обычные шишки. Созревшие сосновые шишки чутко реагируют на изменение влажности окружающего воздуха, раскрываясь при малой и сжимаясь при повышенной влажности воздуха. Поэтому там, где не требуется точное измерение влажности, их можно использовать в качестве гигрометра.
Массовый метод. Этот метод основан на точном замере содержания влаги в воздухе. Исследуемый воздух, объем которого контролируется специальным счётчиком, прогоняют через трубки, заполненные поглотителем влаги (силикагель, хлористый кальций и др.). Разность масс трубок с адсорбентом до и после пропускания воздуха показывает количество поглощенной влаги. Разделив массу влаги на объём пропущенного воздуха, получают плотность ρп, то есть абсолютную влажность воздуха. Зная температуру tc, по таблице насыщенного воздуха определяют плотность его в состоянии насыщения ρп. н и относительную влажность: φ = ρп/ρп. н.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Методы исследования
Измерения относительной влажности воздуха в квартире проводились в период с августа по ноябрь 2019 года, до начала отопительного сезона (август, сентябрь) и во время него (сентябрь-октябрь). Относительная влажность измерялась в комнате гигрометром психрометрическим ВИТ-2, информация об относительной влажности на улице бралась из прогноза погоды (сайт www.gismeteo.ru).
Измерения относительной влажности гигрометром психрометрическим ВИТ-2 проводилась по общепринятой методике. В колбу наливалась кипяченая вода комнатной температуры, конец матерчатого фитиля надетого на один из термометров опускался в воду. Через 30 мин оценивалась влажность по разнице между показаниями сухого и влажного термометров с использованием специальной таблицы (рисунок 3).
Рисунок 3. Психрометрическая таблица
2.2. Результаты исследования
Относительная влажность на улице в период с августа по ноябрь 2019 года колебалась в пределах 70-95% за счет большого количества осадков. В октябре, когда температура на улице резко понизилась, влажность на улице не изменилась.
Относительная влажность в квартире до начала отопительного сезона сохранялась на приемлемом уровне 55-65%, а с включением отопления начала снижаться и установилась на уровне 40-50% со снижением к середине октября до 38% (рисунок 4-6).
Рисунок 4. Изменение относительной влажности на улице и в квартире в августе 2019 г.
Рисунок 5. Изменение относительной влажности на улице и в квартире в сентябре 2019 г.
Рисунок 6. Изменение относительной влажности на улице и в квартире в октябре 2019 г.
2.3. Методы нормализации влажности воздуха в квартире
Для нормализации влажности мною были предприняты следующие меры:
1. Вывешивание сырых махровых полотенец на батарею. Данный способ не привел к изменениям показания гигрометра.
2. Установка емкостей (ведер) с водой на сроки до 5-ти дней. Также не повлияло на показания прибора и не привело к повышению влажности.
3. Проветривание помещения в течение 2-3 часов. После проветривания помещения наблюдалось понижение влажности на 4-5%, что можно объяснить поступлением в помещение уличного холодного воздуха с низкой абсолютной влажностью.
4. Использование увлажнителя воздуха. Данный способ является наиболее эффективным методом повышения влажности. При этом влажность достигает своих нормальных значений. Так использование увлажнителя в ночное время привело к повышению влажности до 55-60%. Однако, следует отметить, что увлажнитель повышает влажность только в пределах одной комнаты с быстрым снижением ее до прежних значений после прекращения работы. При этом не рекомендуется проветривание, т.к. это сводит на нет работу увлажнителя.
5. Снижение температуры в комнате.Снижение температуры в комнате планировалось достигнуть путем отключения отопительных приборов. Однако, начиная с 16 октября, температура в квартире понизилась на 3 градуса за счет снижения теплоподачи с теплового пункта. Температура в квартире после понижения составила 22 градуса, что привело к повышению влажности в среднем с 48 до 55%.
2.4. Выводы
На основании проведенных исследований мною были сделаны следующие выводы:
1. В период отопительного сезона относительная влажность в квартире не зависит от относительной влажности на улице.
2. В холодные месяцы относительная влажность в квартире находится ниже нормы.
3. При повышенной влажности воздуха эффективным методом понижения влажности в помещении является его проветривание (если температура воздуха на улице ниже, чем в помещении).
4. При пониженной влажности возможны два метода ее повышения: снижение температуры воздуха в помещении (снижение теплоты батарей, отключение обогревателей) и применение увлажнителей воздуха.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Берлинер М. А. Измерения влажности. — Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Энергия, 1973.
Кабардин О.Ф. Физика: справочные материалы: Учеб. пособие для учащихся.- М.: Просвещение: АО «Учеб. лит.», 1996.
Мякишев Г.Я. Физика: учебник для 10 кл.общеообразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. – М.: Просвещение, 2006.- 366 с.
Перельман Я.И. Занимательная физика. – М.: Наука, 1986.
Расчёт и проектирование ограждающих конструкций зданий / НИИСФ. - М.: Стройиздат, 1990. – 233 с.
ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях
http://meteoweb.ru/phenom.php.
http://www.pro-air.ru/index/htm
http://www.krugosvet.ru/arikles/04/1000405/100000405a2.htm
https://www.gismeteo.ru/