Расчёт термостабилизации салона автобуса

В современных городских автобусах отсутствует система принудительной вентиляции, а так как в ограниченном пространстве объёмом ~60 м³ находится 120 человек, то происходит быстрый нагрев воздуха и насыщение углекислым газом. В таких условиях система естественной вентиляции становится малоэффективной. Специально спроектированный кондиционер для общественного транспорта может решить проблему вентиляции и охлаждения воздуха в салоне.
      Для определения избыточного количества тепла, поступающего в салон был произведён расчёт тепловых потоков. В качестве прототипа был выбран автобус ЛиАЗ 5256 (рисунок 1)

 

 Рисунок 1 - ЛиАЗ 5256

   ЛиАЗ-5256 — высокопольный автобус большого класса производства Ликинского автобусного завода. Разработка модели 5256 началась в конце 70-х годов, серийное производство началось в июле 1989 года. Выпускается в следующих вариантах:

– Городской

– Пригородный/междугородный

– Для перевозки детей

– Специальный (для перевозки инвалидов)

     Автобус в пригородной модификации отличается от городского большим числом и повышенной комфортностью сидений, отсутствием средней двери. Автобус может укомплектовываться двигателем производства Caterpillar, ЯМЗ или КАМАЗ. Технические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики автобуса

Класс автобуса	большой
Назначение	городской
Колесная формула	4х2
Тип кузова	Несущий, вагонной компоновки
Ресурс кузова (лет до скв. коррозии)	12
Длина / ширина / высота, мм	11400 / 2500 / 3007
База, мм	5840
Высота потолка в салоне, мм	2100
Количество /ширина дверей, мм	3 (1200)
Общее число мест (в т.ч. посадочных)	118 / 23+1
Клиренс, мм	180
Масса снаряженная / полная, кг	9960 / 17930
Емкость топливного бака, л	230
Нагрузка на переднюю/заднюю ось, кг	6480 / 11300
Тормозная система	Пневматическая, двухконтурная, с разделением на контуры по осям, тормозные механизмы всех колес - барабанные, ABS
Вентиляция	Естественная через люки и форточки
Система отопления	Жидкостная, с использованием тепла системы охлаждения двигателя и независимого подогревателя Webasto

Для определения максимальных тепловых потоков был рассмотрен случай стоянки автобуса в жаркий солнечный летний день с работающим двигателем. Будем считать, что солнце находится сбоку автобуса и освещает крышу и правую сторону. Угол между землёй и солнечными лучами 45°. Мощность солнечного излучения I=560 Вт/м². Температура окружающего воздуха t_н=30° С. В салоне автобуса поддерживается постоянная температура +26° С.

В рассмотренном случае для поддержания в салоне постоянной температуры +26°С  требуется холодопроизводительность системы кондиционирования 16,5 кВт. При этом как видно из круговой диаграммы (рисунок 2) 59% тепла выделяют пассажиры 24% приходится на тепловое излучение, попадающее в салон через остекление и 17%  тепла поступает через ограждение. 

 

Рисунок 2 - Тепловые источники

  

На гистограмме (рисунок 3) показано распределение тепловых потоков через однородные в тепловом отношении участки кузова (солнечное излучение через остекление не учитывается в данной диаграмме). Наибольшее количество тепла поступает через пол, потолок и двери.

 

Рисунок 3 - Тепловые потоки через кузов

Были рассчитаны тепловые потоки при различных скоростях движения автобуса, результаты расчётов отображены на графике (рисунок 4). Как видно из графика при скорости 40 км/ч тепловой поток из окружающей среды уменьшается до значения 6100 Вт, при дальнейшем увеличении скорости поток меняется незначительно.

Рисунок 4 - Зависимость теплопоступлений от скорости движения

Сравнивая распределение тепловых потоков для максимальной скорости и случая стоянки, можно заметить, что тепловой поток изменяется не на всех поверхностях одинаково.

Рисунок 5 - Тепловые потоки через кузов автобуса

Определение количество тепла, поступаемого через открытые двери автобуса во время посадки и высадки пассажиров представляет сложную задачу, которая  в данном случае не рассматривалась.

Почему зимой воздух в квартирах сухой.

   Наверное, все обращали внимание на то, что воздух в квартире становится заметно суше с запуском центрального отопления. Как следствие увеличивается интенсивность испарения влаги с поверхности кожи и слизистых человека. Кожа становится суше, грубеет, трескается и шелушится, то же происходит и с кожей а губах. Из-за недостаточной влажности воздуха снижается способность бронхов к самоочищению, особенно чувствительны к сухому воздуху люди, страдающие бронхиальной астмой. Неблагоприятное действие оказывает сухой воздух и на глаза, в первую очередь это касается тех, кто носит линзы.

   Так почему же зимой воздух в квартирах сухой? Дело в том, что количество влаги, которое может вобрать в себя воздух ограниченно и зависит от его давления и температуры. Чем выше температура воздуха, тем больше влаги он может в себя вобрать. Например, воздух при t = +80 град. С может содержать 566 грамм влаги на 1 килограмм сухого воздуха, а при t = 25 град. С уже только 20 грамм влаги на 1 килограмм сухого воздуха. Зимой происходит примерно следующее: за окном холодный воздух со 100% относительной влажностью (т.е. он вобрал в себя столько влаги, сколько максимально может содержать при данной температуре), попадает в квартиру и начинает нагреваться. У нагретого уличного воздуха количество влаги остаётся прежним, но из-за повышения температуры максимальное количество влаги которое он способен содержать в себе увеличилось. Как следствие уменьшилось относительное влагосодержание воздуха, так как это и есть отношение максимально возможного влагосодержания воздуха к фактическому. Т.е. у воздуха появилось "свободное место" для новой влаги, что и увеличивает интенсивность испарения влаги с поверхности тела человека, цветов и т.д.
   Для качественной оценки изменения относительной влажности уличного воздуха после нагревания можно воспользоваться графиком, приведённым на рис.1.

 Рис.1. Изменение относительной влажности воздуха при нагреве.

В соответствии с относительной влажностью воздуха на улице выбираем одну из 5 кривых, например, синюю (при 100% влажности). Находим температуру уличного воздуха на горизонтальной оси, например -15 град. С, проецируем точку пересечения температуры с кривой линией на вертикальную ось, определяем относительную влажность воздуха после его нагрева до +25 град. С, В нашем случае относительная влажность воздуха составит около 6%. Благоприятным уровнем относительной влажности считается 40-60%.

    Конечно, в реальных условиях такой низкой влажности, скорее всего не будет, потому что свежий уличный воздух смешивается с комнатным и их влагосодержание выравнивается, происходит испарение влаги с листьев домашних растений, с поверхности тела человека и т.д. Но тем не менее зимой воздух в жилых помещениях нуждается в увлажнении.

    Дополнение: 

- на графике (рис.1.) считается, что температура в комнате +25 град. С