Расчетные наружные параметры климата
Расчетные параметры наружного климата для проектирования систем холодоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха
Rated Outdoor Climate Parameters for Designing of Cold Supply, Ventilation and Air Conditioning Systems
A. S. Strongin, Candidate of Engineering, Scientific Research Institute of Building Physics of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences; V. A. Vorontsov, OOO Systemair; K. A. Kuznetsov, OOO Systemair
Keywords: outdoor climate parameters, cold supply, ventilation, air conditioning
Ventilation, cold supply and air conditioning systems responsible for maintaining optimal indoor climate conditions for public and production buildings are large consumers of material and energy resources. The refrigerating power of their systems can reach thousands of kilowatts, and their cost – tens of millions of rubles. Correct choice of design outdoor climate parameters during design of cold supply systems allows for saving on capital cost of their installation, as well as reduction of energy resources use in the course of their operation by 15–25 %.
Системы вентиляции, холодоснабжения и кондиционирования воздуха, обеспечивающие оптимальные условия микроклимата для общественных и производственных зданий, являются крупными потребителями материальных и энергетических ресурсов. Холодильная мощность систем может достигать несколько тысяч киловатт, а их стоимость – десятков миллионов рублей. Корректный выбор расчетных параметров наружного климата при проектировании систем холодоснабжения позволяет добиться экономии первоначальных затрат на их устройство, а также снизить потребление энергоресурсов в процессе эксплуатации на 15–25 %.
Расчетные параметры наружного климата для проектирования систем холодоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха
А. С. Стронгин, канд. техн. наук, Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН
Системы вентиляции, холодоснабжения и кондиционирования воздуха, обеспечивающие оптимальные условия микроклимата для общественных и производственных зданий, являются крупными потребителями материальных и энергетических ресурсов. Холодильная мощность систем может достигать нескольких тысяч киловатт, а их стоимость – десятков миллионов рублей. Корректный выбор расчетных параметров наружного климата при проектировании систем холодоснабжения позволяет добиться экономии первоначальных затрат на их устройство, а также снизить потребление энергоресурсов в процессе эксплуатации на 15–25 %.
Нормативные требования
Заданные параметры микроклимата в помещениях жилых, общественных, административно-бытовых и производственных зданий следует обеспечивать в пределах максимальных расчетных параметров наружного воздуха для соответствующих районов строительства, регламентируемых СП 131.13330.2018 и СП 60.13330.2016 [1, 2]:
Согласно СП 131.13330 параметры температуры и энтальпии для систем вентиляции и кондиционирования в теплый период года определяются как параметры Б. Температура при этом соответствует графе 4 в табл. 4.1, которая соответствует обеспеченности 98 %, а энтальпия определяется из рис. А.5 и имеет разброс параметров от нижнего до верхних значений. Учитывая, что разброс параметров энтальпии сильно влияет на подбор оборудования для систем вентиляции и кондиционирования, было решено проанализировать климатические данные за последние 10–20 лет для крупных городов и представительных районов РФ и составить таблицу с данными по температуре, энтальпии и абсолютному влагосодержанию воздуха.
Методика исследования
Для выбора расчетных параметров наружного климата (температуры, энтальпии и влагосодержания) использовались архивные данные о погоде, представленные на сайтах «Расписание погоды» и «метео.ру». Данные за весь период наблюдения отсортированы по выделенным граничным параметрам. Граничные параметры приняты с обеспеченностью 98 %, т. е. необеспеченность менее 175 час/год. Граничное значение выбирается за весь период наблюдения, далее выполняется сортировка по убыванию. Например, если период наблюдения составляет 11 лет, граничное значение необеспеченности: 11 • 175 = 1925 час.
С учетом данных температуры и влажности последних лет, которые имеются в виде измеренных параметров, фиксируемых каждые три часа, мы произвели расчет удельной энтальпии и абсолютного влагосодержания.
Таблица
Энтальпия и влагосодержание наружного воздуха в теплый период года для расчета номинальной мощности систем вентиляции и кондиционирования
Для расчета энтальпии и влагосодержания использовались формулы [3, 4].
Данные по абсолютному влагосодержанию, которые необходимы для расчета процессов осушения воздуха при вентиляции бассейнов [5] и аналогичных объектов, были независимо рассчитаны на обеспеченность 98 %.
Полученные результаты
Расчетные значения метеопараметров (удельная энтальпия и влагосодержание) регионов РФ представлены в таблице.
Кроме корректного выбора расчетных условий для определения максимальной мощности оборудования, для технико-экономического обоснования необходимо также учитывать изменение климатических параметров в течение года или сезона.
Европейский Союз разработал регламент снижения энергопотребления в зданиях экодизайна (Ecodesign). Экодизайн (экологическое проектирование) определяет новый подход к разработке продукции, поощряющий производителей учитывать экологический эффект продукта на протяжении всего жизненного цикла. При сертификации холодильного оборудования Eurovent применяет сезонный показатель энергоэффективности холодильного оборудования SEER, величина которого определяется отношением сезонной выработки холода Qх и сезонных затрат электроэнергии Qэл
Для расчета сезонных показателей используется БИН-метод (BIN method), позволяющий дифференцированно отражать текущую величину отношения наружной температуры воздуха и соответствующую ей величину загрузки оборудования. Для выбранного населенного пункта строится БИН-диаграмма (BIN diagram) часовой продолжительности наружных температур (ступенчатый годограф температур). Диаграмма разделяется на БИН-интервалы (ячейки) шириной 1 °С. Каждому пронумерованному интервалу соответствует: среднее значение текущей наружной температуры (БИН-температура), текущее потребление холода (загрузка оборудования), текущее значение холодильного коэффициента EER.
Интегральный сезонный показатель рассчитывается суммированием текущих значений всех интервалов по формуле
где Qx, Qэл – соответственно, сезонное количество произведенного холода и затраченной электроэнергии, кВт•ч/сезон
где n – общее количество БИН-интервалов в сезоне с i-той температурой наружного воздуха (зависит от сезонного диапазона изменения температуры наружного воздуха и выбранной ширины ячейки),
где Qxi – количество холода, вырабатываемое холодильным оборудованием при i-той БИН-температуре наружного воздуха, кВт•ч;
qxi – текущая холодильная мощность единицы оборудования при i-той БИН-температуре наружного воздуха, кВт;
τi – количество часов длительности каждой БИН-температуры наружного воздуха, ч.
EERbin(i) – текущее значение холодильного коэффициента EER для каждой БИН-температуры и соответствующей величине загрузки оборудования.
Предлагаем аналогичный подход для оценки энергоэффективности и годового энергопотребления для всей системы холодоснабжения и кондиционирования, а не только ее отдельных элементов [6, 7]. Для различных объектов текущая мощность системы определяется не только текущей наружной температурой, но и удельной энтальпией и влагосодержанием, что требует построения соответствующих графиков (БИН-диаграмм).
На рис. 1 в качестве примера приведены рассчитанные нами по изложенной методике графики осредненных значений температуры, энтальпии и абсолютного влагосодержания, с отображением количества часов их продолжительности для теплого периода года во Владивостоке.
Для сравнения климатических параметров двух городов – Москвы и Владивостока, на рис. 2 приведены графические данные по количеству часов для значений энтальпии, а также указаны граничные значения параметров с обеспеченностью 98 %.
По нашему мнению, при подборе оборудования целесообразно учитывать значения с указанной обеспеченностью. Возможное превышение указанных значений составляет менее 175 час/год и происходит, как правило, несколько часов в течение суток, что не существенно влияет на микроклимат помещения вследствие тепловой инерции и теплоаккумулирующей способности наружных и внутренних ограждений здания. Одной из ошибок проектирования является переразмеренность оборудования при его расчете на более высокие метеопараметры, что негативно сказывается на экономических и энергетических характеристиках, а также на затратах для подведения избыточных электрических мощностей.
Сравнение графиков количества часов энтальпии для теплого периода года в Москве и Владивостоке с указанием границ обеспеченности 98 %
Использование реальных климатических данных позволяет сделать оценки затрат на эксплуатацию в течение года и оценить экономию при использовании оборудования с утилизацией энергии. Также можно сделать сравнение оборудования, которое имеет разные коэффициенты утилизации тепловой энергии и возможности эффективного охлаждения. Так, например, затраты на эксплуатацию в теплый период можно снизить в несколько раз за счет применения в вентиляционном оборудовании градирни c косвенным адиабатным охлаждением, которое позволяет охлаждать наружный воздух на 10–12 °C без изменения его влагосодержания и без использования компрессора холодильной машины.
Выводы
При подборе оборудования для систем вентиляции, холодоснабжения и кондиционирования значение температуры допустимо определять согласно графе 4 в таблице 4.1 СП 131.13330. Значение удельной энтальпии и абсолютного влагосодержания наружного воздуха в теплый период года следует принимать из приведенной в статье таблицы для представленных городов, а для других регионов целесообразно принимать максимальное значение энтальпии, указанное для данного региона в СП 131.13330.2018 (рис. А5).
Возможность использования реальных климатических данных позволяет оптимизировать подбор холодильного и вентиляционного оборудования, снизить его стоимость и расход энергоресурсов. Объективная оценка годовых эксплуатационных затрат, в первую очередь электроэнергии, наглядно демонстрирует экономическую эффективность использования энергосберегающего оборудования и схемных решений, способствует расширению его применения в практике проектирования.
Литература
Авторы выражают глубокую благодарность за сотрудничество М. В. Клюевой («ГГО»).
Параметры наружного климата
Воздействие отдельных метеорологических элементов на тепловой, влажност- ный и воздушный режим здания и работу его инженерных систем является комплексным.
При проектировании и в процессе эксплуатации здания возникает ряд задач, решение которых сопряжено с использованием различных по номенклатуре и объему климатологических данных.
Основу климатологической информации составляют регулярные непрерывные измерения метеоэлементов в сети метеостанций. На станциях измеряют температуру воздуха и поверхности грунта, эффективное излучение, скорость и направление ветра, относительную влажность воздуха и барометрическое давление, а также интенсивность прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность.
Ряд климатических параметров, таких как парциальное давление водяного пара, влагосодержание и энтальпия воздуха, интенсивность радиации на вертикальные и наклонные поверхности разной ориентации рассчитывают, используя имеющиеся значения измеряемых параметров.
Появление того или иного значения параметров обусловлено большим числом факторов и носит случайный характер. Поэтому для обобщения метеорологических элементов и получения тех или иных климатических параметров используются положения теории вероятностей и методы математической статистики.
При решении задач теплофизики здания и систем обеспечения микроклимата можно выделить два вида требуемой климатической информации: в расчетных и эксплуатационных условиях.
Под расчетными понимаются наиболее неблагоприятные погодные условия, при которых выбирается теплозащита здания и установочная мощность (производительность) систем обеспечения микроклимата. Расчетным условиям соответствует комплекс параметров наружного климата, за пределами которых система заведомо не обеспечивает поддержание расчетных параметров микроклимата.
Эксплуатационные условия характеризуются изменением параметров наружного климата во времени суток и года в интервале от расчетных летних до расчетных зимних и наоборот.
Для горизонтальной поверхности
; (4.11)
для вертикальной поверхности
(4.12)
для наклонных поверхностей
, (4.13)
где— азимут поверхности, град;
часовой угол, град;
графическая широта местности, град;
— склонение солнца, град;
— угол наклона поверхности к горизонту, град.
Используя в качестве измеренной интенсивность прямой радиации на горизонтальную поверхность, коэффициент пересчета прямой радиации на вертикальные поверхности равен
Рассеянная солнечная радиация при средних условиях облачности одинаково распределена на поверхности разной ориентации. При безоблачном небе интенсивность рассеянной радиации на вертикальной поверхности оказывается разной для ограждений, облучаемых солнцем и находящихся в тени.
Сумма рассеянной и отраженной радиации называется диффузной радиацией. Интенсивность отраженной радиации зависит от конкретных условий застройки и ее расчет представляет определенные трудности. Поэтому в расчете принимают отраженную радиацию в количестве 20 % от рассеянной на горизонтальную. Эта величина соответствует среднему альбедо (отношению отраженного потока к падающему в %) поверхности земли (альбедо асфальта 18,5 %, старого снега 46 %,травы 19-26 %, пашни 14-26 %, леса 12-19 %).
При расчете интенсивности рассеянной радиации следует учитывать, что облученность вертикальной поверхности небосводом составляет 0,5, а горизонтальной 1. С учетом изложенного получим формулу для расчета диффузной радиации на произвольно расположенную поверхность
(4.14)
Коэффициенты пересчета интенсивности среднесуточной прямой солнечной радиациии
для горизонтальной поверхности.
Парциальное давление водяного пара рассчитывается по данным измерения относительной влажности по формуле
Влагосодержание наружного воздуха d, г/кг:
где— барометрическое давление, Па (мм рт.ст.).
Теплосодержание наружного воздуха I, кДж/кг:
(4.16)
Климатические параметры изменяются во времени, сохраняя определенные закономерности. Наиболее ярко закономерность изменения параметров проявляется, если их иллюстрировать средними многолетними значениями.
На рис.4.7 показан среднемесячный суточный ход температуры наружного воздуха в различных климатических зонах для разных сезонов года.
Приведенные данные показывают наличие общей закономерности суточного хода отдельных параметров для различных периодов года. На рис.4.10 показан пример суточного хода результирующей температуры. Как видно из рис.4.10 учет длинноволнового излучения в сторону небосвода приводит к довольно существенному различию результирующей температуры для вертикальной и горизонтальной поверхностей (линия 1 и 2 на рис.4.10).
В целом результирующая и условная температура, как и составляющие ее параметры, сохраняет общую закономерность суточного хода в отдельные периоды года.
Предлагаемый подход к выбору расчётных параметров климата для тёплого периода года
УДК 551+697.9. Научная специальность: 05.23.03.
Предлагаемый подход к выбору расчётных параметров климата для тёплого периода года
Елена Г. Малявина, к.т.н., профессор; Фам Ван Лыонг, аспирант, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)
Рассмотрены существующие подходы к выбору расчётных параметров наружной среды для расчёта мощности систем кондиционирования воздуха. Приведены доказательства целесообразности учёта времени превышения расчётного параметра не в среднем из многолетней выборки, а в конкретных годах. Предложено принимать для тёплого периода года обеспеченность от года к году такой же, как принято в РФ для холодного периода года: 0,98 для уникальных зданий и 0,92 для массовой застройки.
Ключевые слова: температура, энтальпия, обеспеченность от года к году, обеспеченность от средней за многолетний период продолжительности.
UDC 551+697.9. Number of scientific specialty: 05.23.03.
The proposed approach to selection of the design climate parameters for the warm period of the year
Elena G. Malyavina, PhD, Professor; Pham Van Lyong, PhD student, National Research University Moscow State of Civil Engineering (NRU MGSU)
The existing approaches to the choice of design parameters of the external environment to determine the power of air conditioning systems are considered. There are given feasible proofs to take into account the time of exceeding a design parameter value in specific years rather than average ones of the multi-year sampling. It is offered to accept the year-to-year availability of the warm period of the year as it is accepted in the Russian Federation for the cold period of the year.
Keywords: temperature, enthalpy, year-to-year availability, availability from the average one for a multi-year period.
Рассмотрены существующие подходы к выбору расчётных параметров наружной среды для расчёта мощности систем кондиционирования воздуха. Приведены доказательства целесообразности учёта времени превышения расчётного параметра не в среднем из многолетней выборки, а в конкретных годах. Предложено принимать для тёплого периода года обеспеченность от года к году такой же, как принято в РФ для холодного периода года: 0,98 для уникальных зданий и 0,92 для массовой застройки.
Введение
Существующие подходы к выбору расчётных параметров наружной среды Выбору расчётных параметров наружной среды всегда уделялось большое внимание. В настоящее время это внимание не ослабло [1–3], потому что, во-первых, появляются технологии, требующие точного поддержания параметров внутренней среды, во-вторых, глобальное потепление вызывает необходимость обновления расчётных параметров, в-третьих, изменения климата влекут за собой потребность введения новых подходов к выбору расчётных параметров наружной среды.
В большинстве стран мира и, в частности, в США [4] для выбора мощности систем поддержания внутреннего микроклимата расчётные параметры наружного воздуха выбираются с учётом обеспеченности по времени. Это означает, что параметр в году принимает значения выше расчётного в течение оговорённого обеспеченностью времени в среднем многолетнем разрезе.
В различные годы в рассматриваемой местности значения параметров наружного воздуха, близкие к экстремальным, наблюдаются различное время. Поэтому в отдельные годы период времени с превышением расчётных значений может быть довольно продолжительным, и продолжительным может оказаться время, в которое системы, мощность которых подобрана по расчётным значениям параметра наружной среды, не смогут обеспечить в помещении заданного теплового микроклимата.
В Российской Федерации для холодного периода года расчётную температуру для отопления и для выбора теплозащиты зданий принимают по обеспеченности от года к году. Это означает, что в каждом году многолетнего ряда по определённым правилам выбирается значение температуры (средней наиболее холодной пятидневки каждого года). Затем из ряда выбранных значений температуры по заданной обеспеченности от года к году принимается расчётное значение. То есть выбирается не самая низкая температура наиболее холодной пятидневки, имевшая место в рассматриваемой местности, а с некоторой вероятностью того, что в отдельные годы значение средней температуры наиболее холодной пятидневки может быть ниже выбранного в качестве расчётного.
В Росcии расчётная температура наиболее холодной пятидневки принимается с обеспеченностью 0,98 для уникальных и наиболее ответственных зданий и 0,92 для основной массы зданий, в том числе жилых. На практике рассматривается ряд наблюдений меньше столетнего — обычно около 30 лет [5].
Методики выбора расчётных температуры и энтальпии наружного воздуха для тёплого периода года с обеспеченностью по времени
В РФ в СП 131.13330.2012 [6] принят общий подход к выбору расчётной точки Н, в которой расчётные значения температуры tн и энтальпии iн наружного воздуха принимаются так, что обеспеченность наблюдения каждого из них независимо друг от друга равна требуемой обеспеченности Коб (рис. 1). По сути дела, таким образом выбираются независимо друг от друга средние многолетние значения температуры и энтальпии наружного воздуха с определённой необеспеченностью.
В нормативных документах Социалистической Республики Вьетнам [7] профессором Чан Нгок Тьян’ом разработана методика [8] обработки температуры и энтальпии наружного воздуха по совместной обеспеченности обоих параметров. Целью разработки методики по совместной обеспеченности параметров является нахождение такой расчётной точки Нр, при которой зона обеспеченности наблюдения обоих параметров (рис. 2) была бы равна требуемой.
Важно отметить, что обе методики, следуя общемировым тенденциям, нацелены на выбор расчётных температуры и энтальпии наружного воздуха, опираясь на обеспеченность по времени. По приведённым выше методикам были определены расчётные значения температуры и энтальпии наружного воздуха, отвечающие различной обеспеченности своего появления от общего числа часов в году по средним многолетним данным для двух городов: Москвы и Ханоя [9]. Для этого были обработаны данные метеостанции ВДНХ за 1984–2011 годы [10] и метеостанции Ханоя [11] за 1985–2014 годы. Результаты обработки представлены в табл. 1.
Сразу отметим, что в таблицах ниже приведены значения параметров наружного воздуха при продолжительности необеспеченности в 35, 50, 100, 200 и 400 часов, и это не означает, что все они предлагаются в качестве расчётных. Они рассматриваются в исследовательских и иллюстративных целях.
Из табл. 1 видно, что расчётные значения температуры и энтальпии наружного воздуха, полученные по вьетнамской методике при совместной обеспеченности, выше, чем полученные по российской методике. Это объясняется тем, что точка Н образует зоны необеспеченности для температуры 1+2 (рис. 1), а для энтальпии 2+3 (рис. 1) равной продолжительности, а точка Нр образует суммарную для обоих параметров зону необеспеченности той же продолжительности 4+5+6 (рис. 2).
Методики выбора расчётных температуры и энтальпии наружного воздуха для тёплого периода года с обеспеченностью от года к году
Для доказательства необходимости выбора расчётного сочетания температуры и энтальпии наружного воздуха с обеспеченностью от года к году в работе [12] в каждом году были выбраны значения температуры и энтальпии наружного воздуха с различной продолжительностью необеспеченности. Из значений одинаковой продолжительности необеспеченности, взятых из разных лет, были построены функции распределения каждого параметра по обеспеченности от года к году. Оказалось, что в разных линиях одинаковой обеспеченности по времени, состоящих из точек различных лет, порядок этих лет различен. То есть и в Москве, и в Ханое очень редки годы, когда точки с различной обеспеченностью по времени будут относиться к одной обеспеченности от года к году.
Очень важно, что наиболее высокие значения температуры и энтальпии наружного воздуха наблюдаются в различные годы. Есть годы, когда высокие значения параметров значительно превышают средние многолетние значения той же обеспеченности, но время наблюдения этих значений относительно непродолжительно. А есть годы, когда стойко держится высокая температура или энтальпия наружного воздуха, пусть не самых экстремальных значений параметра, но значений, значительно превышающих среднее многолетнее. Оказалось, что в десяти самых жарких годах превышения значений температуры и энтальпии находятся в довольно широких диапазонах времени, которые приведены в табл. 2.
Из табл. 2 видно, что продолжительности превышения температуры наружного воздуха над расчётным значением в Москве больше, чем в Ханое, но и там они тоже достаточно велики. Это объясняется тем, что московский климат континентальный, а ханойский климат относится к влажному субтропическому. Что касается диапазонов превышения значений энтальпии, то в Москве и Ханое они значительны, отклонения в сторону высоких значений энтальпии тоже свидетельствуют о желательности их учёта.
Предлагается в качестве расчётных значений температуры и энтальпии наружного воздуха принять значения, соответствующие обеспеченностям от года к году 0,98 и 0,92, такие же, как и в холодный период года. В качестве правила отбора значений параметров в каждом году приняты значения параметра с продолжительностями необеспеченности по времени внутри года такими же, как указано в табл. 1.
При независимом выборе значений температуры и энтальпии результаты указаны в табл. 3 в колонках 3 и 4. Они оказались выше не только значений, полученных выбором при раздельной обеспеченности из общей выборки и приведённых в табл. 1 (колонки 3 и 4), но и значений, полученных по совместной обеспеченности, приведённых в той же табл. 1 в колонках 5 и 6. В колонках 5 и 6 табл. 2 приведены данные, полученные по совместной обеспеченности внутри отдельных годов. Они выше значений, полученных по раздельной обеспеченности.
Несоответствие реалиям жизни результатов методик выбора расчётных значений параметров наружного воздуха по раздельной или совместной обеспеченности (вне зависимости из общей выборки или от года к году) заключается в том, что они назначаются без учёта одновременного их появления. Так как предлагаемые расчётные значения параметров оказались существенно выше применяемых на практике, в табл. 3 в колонке 7 представлены значения энтальпии, наблюдавшейся одновременно со значениями температуры, приведённой в колонке 3, а в колонке 8 — значения температуры, имевшей место одновременно с энтальпией из колонки 4. Эти значения оказались значительно выше всех предлагаемых, что только подтверждает необходимость ужесточать нормирование значений расчётных параметров в тёплый период года.
Заключение
1. Расчётные значения температуры и энтальпии, полученные по различным методикам обработки метеорологических данных, по-разному оценивают обеспеченность процесса кондиционирования воздуха. Обеспеченность температуры по российской методике соответствует обеспеченности расчётного расхода приточного воздуха, а обеспеченность энтальпии — обеспеченности холодопроизводительности воздухоохладителя. Обеспеченность значений тех же параметров по вьетнамской методике соответствует обеспеченности общего процесса кондиционирования воздуха.
2. Так как в отдельные годы продолжительности необеспеченности выбранных значений параметров заметно отличаются друг от друга, предложена методика выбора расчётных параметров наружной среды с учётом обеспеченности от года к году. Эта методика предполагает выбор в каждом году значений температуры и энтальпии наружного воздуха независимо друг от друга с определённой необеспеченностью по времени, а потом для каждой необеспеченности по времени выбирается значение из года, отвечающего обеспеченности от года к году, соответствующей строящемуся объекту.
3. Так как для Москвы предлагаемые расчётные температура (29,0 °C) и энтальпия (59,8 кДж/кг) близки к значениям, применяемым ранее (28,5 °C), предлагается нормирование параметров наружной среды в тёплый период года для зданий массовой застройки вести по продолжительности необеспеченности 100 часов в отдельных годах.