Наземные системы обеспечения комфортной жизнедеятельности

 

К 150-летию Научно-учебного комплекса  

«Энергомашиностроение» 

 

 

 
ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА  

 И ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИЕ 

 
 

 
 
 

 
 
 
 

Редакционный совет 

 

 

А. А. Александров (председатель), д-р техн. наук  
А. А. Жердев (зам. председателя), д-р техн. наук  
В. Л. Бондаренко, д-р техн. наук  
А. Ю. Вараксин, д-р физ.-мат. наук, член-корреспондент РАН  
К. Е. Демихов, д-р техн. наук  
Ю. Г. Драгунов, д-р техн. наук, член-корреспондент РАН  
Н. А. Иващенко, д-р техн. наук 
В. И. Крылов, канд. техн. наук  
М. К. Марахтанов, д-р техн. наук  
С. Е. Семенов, канд. техн. наук  
В. И. Хвесюк, д-р техн. наук  
Д. А. Ягодников, д-р техн. наук  
 
 
 

 

Ю.В. Пешти 
 
 
 
 
 
Наземные системы  
обеспечения комфортной 
жизнедеятельности 
 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому политехническому образованию в качестве 
 учебника для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению подготовки 141200 «Холодильная,  
криогенная техника и системы жизнеобеспечения»  
и специальности 160401 «Проектирование, производство  
и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

УДК 629.7.048.3(075.8) 
ББК 38.762.3 
        П31 

Рецензенты:  

кафедра «Техника низких температур» им. П.Л. Капицы 
Московского государственного университета инженерной  
экологии (зав. кафедрой д-р техн. наук, профессор И.М. Калнинь), 
д-р техн. наук, профессор Б.Т. Маринюк, 
канд. техн. наук, профессор В.Ф. Рожнов 
 
Пешти, Ю. В. 
 
Наземные системы обеспечения комфортной жизнедеятель- 
ности : учебник / Ю. В. Пешти. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2015. — 479, [1] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4066-5 

В учебнике дано описание технических средств для обеспечения 
комфортных условий жизнедеятельности человека в помещениях, 
обслуживающих ракетно-космическую отрасль. Для указанного 
характера выполняемой человеком работы (отдыха) или 
условий протекания производственных и технологических процессов 
рассмотрены системы кондиционирования воздуха с различными 
источниками энергии, вентиляции, а также системы 
обеспечения жизнедеятельности человека в агрессивной окружающей 
среде. Приведены системы кондиционирования воздуха с 
воздушными холодильными машинами — высокооборотными детандерами 
с газовой смазкой узлов трения, — используемые в 
авиации, специальном наземном транспорте и др. Все системы, 
машины и аппараты сопровождаются примерами расчета в энергосберегающем 
режиме работы.  
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по 
специальности «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения». 
Может быть полезен аспирантам и специалистам в 
области проектирования, производства и эксплуатации ракет и ракетно-
космических комплексов. 
 
УДК 629.7.048.3(075.8) 
                                                                       ББК 38.762.3 
 
 
 
 Пешти Ю. В., 2015  
 
 Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4066-5 
        МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 

П31 

Оглавление 
5 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие  ...............................................................................................  
8 
Основные обозначения и сокращения  ......................................................  10 
Введение  .....................................................................................................  12 
 
Глава 1. Атмосферный воздух  ................................................................  19 
1.1. Влажный и сухой воздух  .............................................................  19 
1.2. Диаграммы состояния влажного воздуха  ...................................  36 
 
Глава 2. Источники теплоты и влаги  ....................................................  52 
2.1. Живые организмы как источники теплоты и влаги  ..................  52 
2.2. Теплота, поступающая в помещение от оборудования  
       и источников искусственного освещения  ..................................  56 
2.3. Поступление в помещение теплоты от продуктов сгорания  
       и нагретых поверхностей  .............................................................  57 
2.4. Поступление теплоты через ограждения и капитальные 
       стены помещения  .........................................................................  61 
2.5. Поступление в помещение теплоты и влаги от нагретых  
       открытых водных поверхностей  .................................................  77 
 
Глава 3. Вентиляция помещений  ...........................................................  88 
3.1. Естественная и принудительная вентиляция  .............................  88 
3.2. Определение расхода приточного воздуха  ................................  91 
3.3. Схемы распределения отверстий для подачи воздуха внутри  
       помещения  ....................................................................................  94 
3.4. Движение воздуха в помещении и магистральных сетях  .........  104 
3.5. Циклическая работа системы вентиляции  .................................  109 
 
Глава 4. Использование природных возобновляемых источников 
энергии для кондиционирования воздуха  ...........................................  116 
4.1. Наземные и подземные воды как источники энергии  
       в системах кондиционирования воздуха  ....................................  116 
4.2. Энергия льда, намороженного в зимний период, используемая 
       для кондиционирования воздуха  ................................................  122 
4.3. Энергия ночного холодного воздуха, используемая  
       в дневное время суток  ..................................................................  127 
4.4. Использование солнечной энергии в системах кондициониро- 
       вания воздуха  ................................................................................  131 

Оглавление 

Глава 5. Процессы обработки воздуха в системах кондиционирования  ...........................................................................................................  
134 
5.1. Особенности и способы тепловлажностной обработки  
       воздуха  ...........................................................................................  134 
5.2. Расчет тепломассообмена при непосредственном контакте  
       воздуха с водой  .............................................................................  143 
5.3. Область возможного изменения состояния воздуха при его  
       непосредственном контакте с водой  ...........................................  147 
5.4. Очистка воды от вредных бактериологических примесей  .......  167 
 
Глава 6. Специальные процессы тепловлажностной обработки 
воздуха  ........................................................................................................  171 
6.1. Доувлажнение воздуха в помещениях. Увлажнители  
       воздуха  ...........................................................................................  171 
6.2. Осушка воздуха в помещениях  ...................................................  187 
 
Глава 7. Фильтры и другие технические устройства систем вентиляции 
и кондиционирования  .................................................................  221 
7.1. Фильтры грубой очистки воздуха  ...............................................  221 
7.2. Фильтры тонкой и особо тонкой очистки воздуха  ....................  236 
7.3. Очистка воздуха от газовых, аэрозольных нежелательных  
       и вредных примесей  .....................................................................  244 
7.4. Специальные устройства в системах кондиционирования  
       воздуха  ...........................................................................................  248 
 
Глава 8. Аппараты систем кондиционирования для тепловлаж-
ностной обработки воздуха  .....................................................................  254 
8.1. Поверхностные теплообменные аппараты с гладкими  
       трубками  ........................................................................................  254 
8.2. Поверхностные теплообменные аппараты с оребренными  
       трубками  ........................................................................................  261 
8.3. Сухие рассольные теплообменные аппараты  ............................  273 
8.4. Пластинчатые поверхностные теплообменные аппараты  ........  279 
8.5. Тепловые трубы  ............................................................................  286 
8.6. Форсуночные камеры  ...................................................................  298 
8.7. Тепломассообменные аппараты с орошаемой насыпной  
       насадкой  ........................................................................................  303 
8.8. Приточно-вытяжная система кондиционирования для  
       утилизации теплоты удаляемого воздуха ...................................  308 
 
Глава 9. Системы кондиционирования воздуха общего назначения  ...  315 
9.1. Центральные системы кондиционирования воздуха  ................  315 

Оглавление 
7 

9.2. Центрально-местные системы кондиционирования воздуха  
       с чиллерами и фанкойлами  ..........................................................  326 
9.3. Автономные системы кондиционирования воздуха  .................  330 
 
Глава 10. Системы кондиционирования с воздушными холодиль-
ными машинами  ......................................................................................  344 
10.1. Наземные системы кондиционирования с воздушными  
         холодильными машинами общего назначения  ........................  344 
10.2. Шахтное кондиционирование воздуха  .....................................  354 
10.3. Системы прецизионного кондиционирования воздуха  ..........  360 
 
Глава 11. Узлы трения с газовой смазкой машин систем кондици-
онирования воздуха  .................................................................................  384 
11.1. Характерные свойства газов как смазочных веществ  .............  384 
11.2. Принцип работы и конструктивные схемы узлов трения  .......  388 
11.3. Основные характеристики системы ротор — газовый подвес  .....  399 
11.4. Расчет и конструктивные схемы газовых подшипников  
         и подвесов  ...................................................................................  404 
 
Глава 12. Наземные замкнутые технические системы обеспечения 
жизнедеятельности  ..................................................................................  420 
12.1. Экологическая система человек — микроатмосфера 
         скафандра  ....................................................................................  420 
12.2. Расчет автономной системы жизнеобеспечения  ..................  426 
12.3. Системы обеспечения жизнедеятельности человека  
         на морской глубине  ....................................................................  439 
Литература  ..................................................................................................  443 
Приложение 1  .............................................................................................  444 
Приложение 2  .............................................................................................  476 

Предисловие 

Предисловие 

В последнее время в связи с быстро изменяющимися и возрастающими 
требованиями к точности протекания различных, 
особенно новых, наукоемких технологических и промышленных 
процессов, в частности, при изготовлении космических комплексов 
и систем, а также в наземных системах управления ракетно-
космическими комплексами возникает необходимость поддержания 
в помещениях с помощью технических средств искусственной 
атмосферы со стабильными длительное время параметрами, 
резко отличающимися от параметров окружающей среды. 
Например, в подводных лодках и домах, расположенных в зонах 
освоения континентального шельфа морей, при горячей обработке 
в инертной среде тугоплавких редкоземельных металлов, в 
случае техногенных катастроф (в частности, при разрывах магистральных 
газопроводов) и т. п. В то же время повсеместно на 
Земле ухудшается экологическая обстановка, особенно это касается 
крупных городов и помещений, где трудятся или отдыхают 
люди. Для улучшения и создания комфортной среды обитания 
человека и необходимых условий осуществления технологиче-
ских процессов в этих помещениях применяют такие технические 
средства, как системы вентиляции, кондиционирования и обеспе-
чения жизнедеятельности. 
Сохранение Россией научно-технического и производственно-
го потенциала в области космонавтики на уровне наработок, сде-
ланных в СССР, близких к мировым стандартам, и наметившаяся 
тенденция дальнейших исследований космического пространства, 
рост объема мирового рынка космических услуг — все это диктует 
необходимость формирования единого и нового подхода к подго-
товке специалистов (инженеров) в рассматриваемой области 
науки, в машиностроение и технологиях. Создание комфортных 
условий жизнедеятельности человека чрезвычайно важно не толь-
ко на космических объектах и наземных сооружениях ракетно-
космических комплексов, но и в повседневной жизни. 
По мнению автора, материал, изложенный в учебнике, будет 
способствовать более качественной подготовке специалистов в 
рассматриваемой области науки и техники на современном этапе 
ее развития. 

Предисловие 
9 

В основу книги положены лекции, читаемые автором в Москов-
ском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана, 
а также многолетний опыт исследовательской и преподавательской 
работы на кафедре «Холодильная, криогенная техника, системы 
кондиционирования и жизнеобеспечения». Приложение 1 написано 
канд. техн. наук И.В. Тищенко. 
Автор глубоко признателен коллективу кафедры «Техника 
низких температур» им. П.Л. Капицы Московского государствен-
ного университета инженерной экологии, возглавляемой д-ром 
техн. наук, профессором И.М. Калнинем, д-ру техн. наук, профес-
сору Б.Т. Маринюку, канд. техн. наук, профессору кафедры систем 
жизнеобеспечения и защиты ракетно-космических аппаратов Мос-
ковского авиационного института (национального исследователь-
ского университета) В.Ф. Рожнову за сделанные ими замечания и 
предложения при рецензировании рукописи. Автор выражает ис-
креннюю благодарность канд. техн. наук, доценту Ю.Д. Фролову и 
всем, кто принимал участие в обсуждении и подготовке к изданию 
учебника. 

Основные условные обозначения и сокращения 

Основные обозначения и сокращения 

V  
— объем, м3 

v  
— объем удельный, м3/кг 
T  
— абсолютная температура, K 
t  
— температура, °C 
p  
— давление, Па 
m  
— масса, кг 
М  
— молярная масса, кг/моль 
  
— вязкость динамическая, Па · с 
   
— вязкость кинематическая, м2/с 
   
— влажность относительная  
d  
— влажность абсолютная, г/кг (с. в.) 

i
С   
— концентрация i-го компонента смеси, % 
С 
— концентрация массовая, кг/м3 

M
C
 
— концентрация молярная, моль  
   
— натяжение поверхностное, Н/м 
v  
— скорость движения среды, м/с 
с 
— теплоемкость, Дж/K 
cm  
— теплоемкость удельная, Дж/(кг · K) 
R  
— универсальная газовая постоянная, R = 8314,2 Дж/(кмоль · K)  
Rг  
— газовая постоянная, Дж/(кг · K) 
r  
— теплота удельная, Дж/кг 
   
— время, с 
Ф 
— поток тепловой, Вт 
q  
— плотность теплового потока, Вт/м2 
F  
— площадь поверхности, м2 
   
— коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 · K) 
  
— коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 · K) 
Q  
— теплота, Дж 
qm  
— расход массовый, кг/с 
qt  
— расход объемный, м3/с 
   
— теплопроводность, Вт/(м · K) 
a  
— температуропроводность, м2/с 
  
— плотность, кг/м3 
H  
— энтальпия, Дж/кг 
W  
— внешняя статическая нагрузка, Н 
Q0  
— холодопроизводительность, Вт 
К 
— кратность воздухообмена 

Основные обозначения и сокращения 
11

η  
— коэффициент полезного действия 
ω  
— угловая скорость, рад/с 
g  
— ускорение свободного падения, м/с2 
Λ  
— число сжимаемости для газодинамического  
 
     подшипника 
f  
— частота колебаний, с–1 
Ar  
— число Архимеда 
We 
— число Вебера 
Gr  
— число Грасгофа 
Lo  
— число Ломоносова 
Nu  
— число Нуссельта 
Pr  
— число Прандтля 
Re  
— критерий Рейнольдса 
Kn  
— число Кнудсена 
aзв  
— скорость звука, м/с 
e  
— эксцентриситет, м 
A  
— амплитуда колебаний, м 
П  
— периметр, м 
Ne  
— мощность эффективная, Вт 
P  
— сила тяжести, Н 
 
АСОЖ  — автономная система обеспечения жизнедеятельности 
АЭС  
— атомная электростанция 
ВХМ  — воздушная холодильная машина 
ГТУ  
— газотурбинная установка 
ПДК  
— предельно допустимая концентрация 
ПСКВ  — прецизионные системы кондиционирования воздуха 
РЭТ  
— радиационно-эффективная температура 
СЖО  — система жизнеобеспечения 
СКВ  
— системы кондиционирования воздуха 
СОЖ 
— системы обеспечения жизнедеятельности 
ЭЭТ  
— эквивалентно-эффективная температура 

Введение 

Введение 

Естественная нормальная среда обитания человека на Земле 
характеризуется наличием магнитного поля напряженностью 
0,3…0,6 Гс; газовым составом атмосферы (~78 % азота N, ~21 % 
кислорода О2, 0,03…0,04 % диоксида углерода СО2); ускорением 
силы тяжести ( 9,8 м/с2); атмосферным давлением (0,1 МПа ≈  
≈ 760 мм рт. ст.); уровнем солнечной радиации; температурой атмосферы (– 
50…+50 С). 
Среду обитания человека, которая длительное время не содержит 
раздражающих и возбуждающих факторов, препятствующих 
или ограничивающих физическую и умственную работу, а также 
отдых, называют комфортной средой жизнедеятельности. Это 
понятие также применимо к нормальному протеканию различных 
технологических и промышленных процессов. 
Комфортной средой жизнедеятельности человека на Земле 
считают воздушную среду, определяемую приведенными ниже 
факторами. 
1. Относительная влажность воздуха φв = 40…70 % (при φв <  
< 40 % ощущается сухость во рту, выражающаяся в покашливании, 
при φв > 70 % — духота в помещении). 
2. Скорость движения воздуха в помещении, где находится человек, 
vв = 0,15…0,3 м/с (при vв   0,1 м/с ощущается духота в помещении, 
при v в ≤ 0,3 м/с — дискомфорт, связанный с разной степенью 
отвода или подвода теплоты с поверхности тела человека 
воздушным потоком, поэтому в зоне подачи воздуха необходимо 
периодически изменять направление его движения). 
3. Температура воздуха, различающаяся по длине тела челове-
ка (голова — ноги), t в = 2…3 С (по поговорке «держи ноги в теп-
ле, а голову в холоде»). При этом температура пола в помещениях, 
где люди находятся в движении, не должна превышать 25 С, а 
при их пребывании в состоянии покоя — 28 С. 
4. Температура воздуха в помещении tв.пом, определяемая 
СНиП 2.04.05–91*, зависит от характера деятельности человека, 
его индивидуальных особенностей и метеорологического факто-
ра — совместного действия на организм человека температуры, 
влажности и скорости движения воздуха в окружающей среде.  
Для оценки одновременного влияния этих параметров введена так 

Введение 
13

называемая эквивалентно-эффективная температура (ЭЭТ), кото-
рая не равна температуре окружающего воздуха. Эта величина яв-
ляется условной и определяет одинаковый отвод теплоты с поверх-
ности тела человека при действии метеорологического фактора. 
Например, влажный воздух при низкой температуре и сухой воздух 
при более высокой температуре могут оказывать тождественное 
влияние на организм человека, что будет соответствовать одинако-
вой ЭЭТ. Чем выше температура воздуха, тем ниже должна быть 
его влажность, поскольку ослабление теплоотдачи конвекцией ком-
пенсируется массообменом, т. е. обильным потовыделением. 
 

 
Для любого сочетания температуры, относительной влажности 
и скорости воздуха можно определить температуру неподвижного 
насыщенного воздуха, который создает такое же тепловое ощуще-
ние у человека, как и комбинация всех трех указанных параметров. 
На рис. В1 приведена номограмма для определения ЭЭТ при 
различных сочетаниях температуры, относительной влажности и 
скорости движения воздуха в помещении без учета влияния на че-
ловека радиации от отопительных приборов. Иногда местное вли-
яние на человека радиации от отопительных приборов оценивают 
условной радиационно-эквивалентной температурой (РЭТ). При 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. В1. Номограмма для 
определения эквивалентно-
эффективной температуры