Фактические температуры при расчете систем кондиционирования воздуха
Целесообразность использования фактических данных
В первую очередь заказчика интересует инженерная система, которая будет актуальна не только сегодня, но и в перспективе. Использование при ее разработке нормативных сведений нерационально по причине их старения. Более логичным решением является сбор свежих статистических данных с последующим их задействованием в расчетах.
Климатические изменения могут принести новые рекордные значения, однако нужно понимать, что они не учитывались и при составлении нормативной документации. Если система будет обслуживать здания медицинского, производственного, научного или технологического назначения, целесообразно использование критических значений (максимумом и минимумов) с поправкой в большую сторону. Если проектирование системы акцентировано на оптимизацию финансовых расходов и максимальный комфорт, правильным будет задействование в расчетах жестких климатических значений.
Фактические данные могут использоваться в проектах инженерных систем без каких-либо ограничений в области стандартизации. Зачастую нормативная база содержит более жесткие значения по сравнению с фактическими. Помимо этого, прилагаемое к проекту техническое задание составляется с включением жестких параметров, не характерных для реальных условий функционирования инженерной системы.
Источники фактических данных
Региональную климатическую статистику за последние несколько лет можно найти на специальных интернет-ресурсах. В зависимости от специфики предоставления информации такие данные могут быть как почасовыми или дневными, так и месячными или годовыми. Разумеется, что работать с почасовыми и дневными таблицами температур крайне неудобно. Также информация должна быть точной, поэтому рекомендуется обращение к авторитетным источникам.
Для поиска статистики усредненных температур, зафиксированных в столице России, лучше всего использовать погодный сервис от известной компании "Яндекс". Здесь представлена информация не только о температуре воздуха, но и о средней влажности, количестве выпадающих осадков, изменении температуры с учетом времени суток и т.д. Сервис доступен по ссылке "https://yandex.ru/pogoda/moscow/month". Чтобы получить погодную статистику другого российского города, нужно перейти по ссылке и нажать кнопку "Другой город".
Средние температурные показатели по Москве представлены в Таблице 1.
Таблица 1. Критические годовые среднесуточные температурные показатели в Москве
|
Год |
Минимальная средняя температура за сутки, градусов Цельсия |
Максимальная средняя температура за сутки, градусов Цельсия |
|
1999 |
-23,3 |
27,1 |
|
2000 |
-18,1 |
24,1 |
|
2001 |
-16,4 |
27,5 |
|
2002 |
-23,8 |
26,9 |
|
2003 |
-24,6 |
24,4 |
|
2004 |
-17,5 |
23,3 |
|
2005 |
-15,9 |
23,4 |
|
2006 |
-29,0 |
25,4 |
|
2007 |
-21,1 |
27,3 |
|
2008 |
-16,8 |
25,1 |
|
2009 |
-23,6 |
23,4 |
|
2010 |
-22,6 |
30,6 |
|
2011 |
-21,8 |
27,6 |
|
2012 |
-23,4 |
26,0 |
|
2013 |
-14,1 |
25,1 |
|
2014 |
-21,9 |
26,4 |
|
2015 |
-20,0 |
24,0 |
|
2016 |
-18,6 |
24,5 |
Выбор необходимой температуры
Используемую в расчетах температуру уличного воздуха выбирают по следующим критериям:
-
Уровень комфорта внутри обслуживаемого помещения.
-
Время суток.
-
Диапазон климатической статистики.
Уровень комфорта внутри помещения
Главным из представленных критериев является уровень комфорта в помещении. Определение уровня комфорта обычно затрагивает предельную среднесуточную температуру воздуха и обеспеченность.
Под предельной среднесуточной температурой понимают среднюю температуру самого жаркого дня в конкретном регионе. При этом вопрос обеспеченности требует более детального рассмотрения.
Обеспеченность подразумевает сохранение температуры в определенном диапазоне на протяжении расчетного периода. К примеру, температурная обеспеченность на уровне 0,83 указывает на то, что 83 процента времени уровень температуры будет соответствовать заданному пределу. Вместе с тем в остальное время температура может превысить нормируемое значение. Если рассматривать теплое время года, рост обеспеченности указывает на увеличение температуры воздуха. Температура воздушной массы, имеющая обеспеченность 0,85, предусматривает вероятность нахождения температуры в определенных рамках на протяжении 85 процентов времени. При этом такая обеспеченность будет выше обеспеченности с показателем 0,83.
Исходя из практического опыта, многие считают достаточной обеспеченность со значением 0,95. Предполагается, что 95 процентов времени с нормируемой температурой достаточно для комфортной жизнедеятельности находящегося внутри помещения человека. Однако пятипроцентный остаток указывает на время, в течение которого кондиционирование не будет обеспечивать должный комфорт в помещении. Если конвертировать долевой показатель в качественный, получим более 430 часов времени. В дневном измерении это составит больше восемнадцати суток. Кроме того, с учетом утренней и ночной прохлады пять процентов составляют больше сорока трудодней.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что кондиционирование с температурным обеспечением на уровне 95 процентов не может трансформировать избыточную тепловую энергию внутри помещения на протяжении полутора рабочих месяцев. Даже 98-процентная обеспеченность не способствует должному охлаждению помещения на протяжении больше 170 часов или семнадцати трудодней. Если обеспеченность составит 99 процентов, система кондиционирования не сможет эффективно работать в течение почти девяноста часов, что соответствует девяти рабочим дням.
Время суток
Если критерием является время суток, необходимо смотреть на потребность задействования кондиционера в дневное время или в течение всех суток. Необходимо учитывать, что значение дневной температуры превышает среднесуточное, поэтому достичь комфортных условий в дневное время гораздо сложнее.
Диапазон климатической статистики
Оптимальным при учете диапазона климатической статистики является пятилетний период. Конечно, никто не запрещает брать погодный архив за последние десять-двадцать лет, однако такой диапазон времени практически не используется во время проектирования современных инженерных систем.
Если на проектируемом объекте устанавливается высоконадежное климатическое оборудование, анализ проводится с учетом года, имеющего самые высокие температурные показатели. Например, Москва и центральная часть РФ испытали самые жаркие дни семь лет назад, в то время как находящиеся неподалеку Уральских гор населенные пункты столкнулись с максимальной жарой в 2015 году.
Сравнительный анализ нормативных и статистических данных
В Таблице 2 и Таблице 3 сравниваются нормативные и фактические данные для разных климатических регионов России. Критические температурные значения в столичном регионе были представлены в Таблице 1.
Таблица 2. Температура уличного воздуха в теплый период для российских городов с поправкой на разные критерии
|
Критерий |
Температура воздуха в городе, градусов Цельсия |
||||
|
Уфа |
Краснодар |
Санкт-Петербург |
Москва |
||
|
Свод правил 131.13330 2012 года «Строительная климатология» |
28 |
31 |
25 |
26 |
|
|
Средняя максимальная температура за период с 1999 по 2016 годы |
26,4 |
30,8 |
25,3 |
25,7 |
|
|
Средняя максимальная температура за 2012-2016 гг. |
27,4 |
30,3 |
24,8 |
25,2 |
|
|
Средняя температура за сутки в самый жаркий день на протяжении 1999-2016 гг. |
28,5 |
34,1 |
29,5 |
30,6 |
|
|
Температура уличного воздуха, имеющая обеспеченность 95% |
25 |
29 |
22 |
24 |
|
|
Температура уличного воздуха, имеющая обеспеченность 98% |
28 |
32 |
25 |
27 |
|
|
Температура уличного воздуха, имеющая обеспеченность 99% |
30 |
34 |
27 |
28 |
|
Анализируя Таблицу 2, нужно сказать, что расчетная температура воздуха для Санкт-Петербурга может варьироваться в пределах 22-29,5 градуса Цельсия. Вместе с тем нормативный показатель равен 25 градусам Цельсия. Данное значение практически совпадает с показателем средней максимальной температуры за последние восемнадцать лет. Если рассматривать температуру в столице государства, ее расчетное значение находится в диапазоне 24-30,6 градусов Цельсия при нормативном значении 26 градусов Цельсия.
Таблица 3. Температура уличного воздуха в холодный период для российских городов с поправкой на разные критерии
|
Критерий |
Температура воздуха в городе, градусов Цельсия |
||||
|
Уфа |
Краснодар |
Санкт-Петербург |
Москва |
||
|
Свод правил 131.13330 2012 года «Строительная климатология» |
-33 |
-22 |
-24 |
-25 |
|
|
Средняя минимальная температура за период с 1999 по 2016 годы |
-30,0 |
-20,3 |
-19,7 |
-20,7 |
|
|
Средняя минимальная температура за 2012-2016 гг. |
-29,6 |
-22,8 |
-26,1 |
-19,6 |
|
|
Средняя температура за сутки в самый холодный день на протяжении 1999-2016 гг. |
-36,5 |
-28,9 |
-36,5 |
-24,6 |
|
|
Температура уличного воздуха, имеющая обеспеченность 95% |
-19 |
-11 |
-10 |
-12 |
|
|
Температура уличного воздуха, имеющая обеспеченность 98% |
-25 |
-16 |
-15 |
-16 |
|
|
Температура уличного воздуха, имеющая обеспеченность 99% |
-28 |
-19 |
-19 |
-19 |
|
Проводя анализ Таблицы 3, следует отметить отличие нормативного показателя от фактических температурных значений. Например, в Санкт-Петербурге температурный диапазон составляет в пределах -10...-36,5 градусов Цельсия при нормируемом значении -24 градуса Цельсия. Для Москвы этот диапазон колеблется в рамках -12...-25 градусов Цельсия, тем временем как норма составляет -25 градусов.
Расчетные примеры
Город размещения объекта офисного назначения – Москва. Необходим расчет системы кондиционирования для обслуживания помещения, в котором будут пребывать десять сотрудников. Объект имеет вентиляционную систему, в которой отсутствует рекуператор и охладитель. Исключая тепловую энергию от уличной воздушной массы, общие избытки тепла составляют 7,2 киловатта. В помещении необходимо поддерживать температуру на уровне 22 градусов Цельсия. Ознакомимся с критериями выбора расчетного температурного показателя.
В нормативной документации указано, что для обеспечения свежим воздухом одного рабочего места необходим часовой объем шестьдесят кубических метров. Соответственно для обеспечения десяти рабочих позиций нужно расходовать в десять раз больше воздуха.
Для расчета тепловой энергии, которую получает помещение от вентиляционной системы, необходимо использовать формулу:
Здесь ρвозд является плотностью воздушного потока и составляет 1,2 килограмма на метр кубический. Cвозд является теплоемкостью воздушной массы, составляющей 1,005 килоджоуля на произведение массы (килограмм) и температуры (градусы Цельсия). G является общим расходом приточного воздуха за час и составляет 600 метров кубических. Tнар является температурой уличного воздуха, которая для Москвы составляет 26 градусов Цельсия. Tвнутр является температурой внутри помещения, равной 22 градусам Цельсия.
Подставив значения в формулу, получим цифру 0,8 киловатта. Добавив к ней 7,2 киловатта, получим суммарное избыточное тепло, равное 8 киловаттам.
В Таблице 4 представлены результаты расчетов, касающиеся прочих значений уличной температуры.
Таблица 4. Результаты расчетов избытков тепловой энергии для условного помещения с поправкой на температуру уличной воздушной массы
|
Критерий |
Расчетная температура уличного воздуха, градусов Цельсия |
Избытки тепловой энергии от вентиляционной системы, киловатт |
Итоговые избытки тепловой энергии, киловатт |
Процентное отклонение от нормативного показателя |
|
Свод правил 131.13330 2012 года «Строительная климатология» |
26 |
0,8 |
8,0 |
0 |
|
Средняя максимальная температура за период с 1999 по 2016 годы |
25,7 |
0,7 |
7,9 |
-1 |
|
Средняя максимальная температура за 2012-2016 гг. |
25,2 |
0,6 |
7,8 |
-2 |
|
Средняя температура за сутки в самый жаркий день на протяжении 1999-2016 гг. |
30,6 |
1,7 |
8,9 |
12 |
|
Температура уличного воздуха, имеющая обеспеченность 95% |
24 |
0,4 |
7,6 |
-5 |
|
Температура уличного воздуха, имеющая обеспеченность 98% |
27 |
1,0 |
8,2 |
3 |
|
Температура уличного воздуха, имеющая обеспеченность 99% |
28 |
1,2 |
8,4 |
5 |
Рассматривая результаты последней таблицы, можно прийти к выводу, что комфортное пребывание людей в помещении офисного типа требует умеренных инвестиций на приобретение климатического оборудования. Если увеличить холодильную мощность системы кондиционирования на три процента, можно получить температурную обеспеченность на уровне 98 процентов. Пятипроцентное увеличение холодильной производительности приведет к 99-процентной обеспеченности.
Представленная ранее информация указывала на то, что 98-процентная обеспеченность может привести к годовым избыткам тепла в течение восемнадцати дней, в то время как 99-процентная обеспеченность уменьшает данный показатель до девяти дней. Тем самым, если увеличить холодильную отдачу на два процента, можно запастись девятью дополнительными днями оптимального микроклимата и наполовину сократить время избыточного тепла.
Как показывает практика, стремление к отсутствию избыточных тепловых потоков аналогично погоне за абсолютной эффективностью, которая требует от заказчика внушительных капиталовложений. Если взять рекордный температурный показатель на уровне 38 градусов Цельсия (зафиксирован в Москве) и абсолютную температурную обеспеченность, можно рассчитать максимально эффективную систему кондиционирования воздуха. Суммарные избытки тепла в данной ситуации составят 10,4 киловатта при тепловых избытках от вентиляционной системы на уровне 3,2 киловатта. Относительное увеличение производительности системы кондиционирования по нормативному расчету составит тридцать процентов, а с учетом 99-процентной обеспеченности – 25 процентов. По сравнению с вышеописанным примером, где для сокращения периода декомпенсации тепловых избытков до девяти дней требовалось двухпроцентное прибавление системной мощности, в такой системе необходимо увеличить производительность на 25 процентов.
Теперь следует обратить внимание на часть Таблицы 4, где представлены расчеты тепловых избытков с учетом средней температуры за сутки в самый жаркий день года. В частности, необходимо подчеркнуть обоснованность такой расчетной методики в сравнении с абсолютным температурным максимумом, так как он является краткосрочным показателем. Вместе с тем средняя температура за сутки характеризуется более длительным периодом действия. Помимо этого, во время любой тепловой передачи присутствует инерционность. Уличный воздух не способен нагреть помещение моментально. Поэтому целесообразно охлаждение помещения на несколько градусов ночью и утром для того, чтобы уменьшить скорость нагрева воздушной массы внутри помещения в дневное время.
Максимальная среднесуточная температура воздуха на территории Москвы составляет 30,6 градуса Цельсия. Если ориентироваться на нормативное значение температуры, холодильную мощность системы кондиционирования требуется увеличить на двенадцать процентов. При этом для 99-процентной обеспеченности необходимо семипроцентное увеличение производительности холода. В таком случае точная температурная обеспеченность составляет 99,5 процента, что предполагает тепловые избытки в течение почти пяти дней.
Пример расчета системы кондиционирования воздуха с учетом теплового содержания
Самой точной принято считать методику, которая заключается в определении изменения воздушной энтальпии при охлаждении для установления необходимого температурного режима внутри помещения.
Для демонстрации расчетного примера мы базируемся на среднесуточных значениях уличного воздуха.
Следует отметить, что далеко не все статистические ресурсы содержат информацию о воздушной энтальпии. В связи с этим требуется ее определение, исходя из относительной влажности и температуры. В Таблице 5 представлены критические среднесуточные значения содержания тепла в уличном воздухе.
Таблица 5. Значения максимальной энтальпии уличного воздуха в среднем за сутки
|
Год |
Значение предельной среднесуточной энтальпии на территории Москвы, кДж/кг |
|
1999 |
63 |
|
2000 |
59 |
|
2001 |
68 |
|
2002 |
61 |
|
2003 |
57 |
|
2004 |
63 |
|
2005 |
57 |
|
2006 |
62 |
|
2007 |
64 |
|
2008 |
64 |
|
2009 |
63 |
|
2010 |
71 |
|
2011 |
63 |
|
2012 |
59 |
|
2013 |
60 |
|
2014 |
53 |
|
2015 |
55 |
|
2016 |
57 |
Исходя из табличных данных, предельное значение воздушной энтальпии в столице России было зафиксировано семь лет назад. Тогда средняя температура за сутки составила 28 градусов Цельсия, а относительная влажность воздуха – 71 процент. Чтобы температура воздуха внутри помещения составила 22 градуса Цельсия, а влажность пятьдесят процентов при содержании тепла в воздухе на уровне 43 килоджоуля на килограмм, необходимо оборудование с холодильной мощностью 5,6 киловатта (согласно расчетам по формуле получаемой от вентиляции тепловой энергии).
Разъяснение сложностей
Значение предельной среднесуточной температуры без учета энтальпии составило 30,6 градуса Цельсия, а с ее учетом – 28 градусов. Причиной тому является достижение среднесуточных максимумов в разные даты. Температурный предел был достигнут в условиях низкой влажности, что негативно отразилось на воздушной энтальпии. В день максимальной энтальпии воздух был более влажным, но имел меньшую температуру.
Значение полученного с учетом критической среднесуточной температуры теплового притока составило 1,7 киловатта, в то время как рассчитанный через энтальпию тепловой приток составил 5,6 киловатта. Данная ситуация объясняется изначальным расчетом притока тепловой энергии без учета влажности воздуха, который оказался меньше по сравнению с тепловым притоком, полученным с учетом влажности. Профессиональные расчеты систем кондиционирования воздуха проводятся на основе абсолютного притока тепловой энергии и, как следствие, абсолютной холодильной производительности.
Итоги
У каждого заказчика есть возможность выбора методики расчета инженерных систем, обслуживающих строительный объект. Базовые ориентиры представлены в Своде правил 131.13330 2012 года выпуска. Использование нормативных данных имеет особенную значимость при расчете отопительных систем, однако и при составлении проекта системы кондиционирование обращение как минимум к вышеуказанному Своду правил крайне рекомендуемо.
Вряд ли кто усомнится в рациональности стремления большинства заказчиков к достижению наилучшего комфорта внутри объекта в условиях ограниченных финансовых издержек. Для этого использование нормативных показателей недостаточно. Заказчик должен изучить особенности регионального климата и определить критерии, которые помогут рассчитать температуру воздуха. Кроме того, выполняется проектный анализ, заключающийся в сопоставлении годовой продолжительности вероятных избытков тепла и затрат на улучшение системы кондиционирования для сокращения этой продолжительности.
