Некоторые заказчики при проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования предпочитают использовать фактические (архивные) данные о температуре и влажности рассматриваемого региона вместо нормативных значений. Как правило, фактические климатические условия оказываются более жесткими, чем нормативные, но менее жесткими, чем экстремальные значения (абсолютные минимумы, максимумы и климатические рекорды). В данной статье рассмотрены основания для использования фактических климатических данных, способы получения этих данных и примеры расчетов.
ЗАЧЕМ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ФАКТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ И МОЖНО ЛИ ЭТО ДЕЛАТЬ?
Как правило, заказчик хочет построить систему, актуальную на сегодняшний день и на ближайшую перспективу. Использовать для этого постоянно устаревающие нормативные данные представляется нелогичным. Куда более обоснованным кажется вариант, заключающийся в том, чтобы собрать статистику за последние годы и руководствоваться именно ей.
Безусловно, от новых климатических рекордов никто не застрахован. Но, согласитесь, нормативные данные точно так же их не учтут. Для критически важных объектов, таких как больницы, операционные, технологические помещения, центры обработки данных, в качестве расчетных значений рекомендуется принимать абсолютные минимумы и максимумы, иногда даже с небольшим запасом. Для менее важных объектов, где одним из приоритетов является обеспечение максимального комфорта в рамках разумных бюджетов, использование более жестких фактических условий видится вполне естественным.
Что касается возможности использования фактических данных, то здесь ограничений с точки зрения системы стандартизации нет. Как правило, в стандартах речь идет об использовании значений не хуже нормативных. Кроме того, в техническом задании на проектирование всегда можно указать (и именно этот метод является самым популярным) более жесткие условия, на которые должна быть рассчитана та или иная система.
ГДЕ ВЗЯТЬ ФАКТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ?
Фактические погодные данные для любого региона России за последние годы достаточно просто получить в сети «Интернет». Вопрос заключается лишь в том, в какой форме они будут представлены, удобно ли будет их обрабатывать и насколько сырыми эти данные окажутся. В конце концов, с таблицей из тысяч строк с почасовой температурой гораздо сложнее работать, чем с конкретными графиками или значительно менее масштабными таблицами с укрупненными показателями.
В рамках статьи использованы данные сервиса “Яндекс«.Погода (в частности, для Москвы представлены усредненные данные за последние годы по дням и месяцам — https://yandex.ru/pogoda/moscow/month) и сайта http://weatherarchive.ru, где можно найти подробный архив погоды для различных городов мира.
КРИТЕРИИ ВЫБОРА НАРУЖНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
Выделяют три критерия выбора расчетной температуры наружного воздуха:
- требуемый уровень обеспечения комфорта в помещении;
- глубина изучаемого архива погоды;
- рассматриваемое время суток.
Основным критерием при выборе расчетной температуры наружного воздуха является требуемый уровень обеспечения комфорта в помещении. При определении уровня комфорта часто прибегают к понятиям максимальной среднесуточной температуры и обеспеченности.
Максимальная среднесуточная температура — это средняя температура самых жарких суток для данного региона.
С понятием обеспеченности следует разобраться подробнее. Под этим термином понимается вероятность того, что температура не превысит заданного значения. Например, температура воздуха обеспеченностью 0,95 означает, что в течение 95% времени температура не превысит данного значения. В оставшиеся 5% времени, вероятнее всего, превысит. Для теплого времени года — чем выше обеспеченность, тем выше и значение температуры. Температура воздуха обеспеченностью 0,98 предполагает, что в течение 98% времени наружная температура не превысит ее. И это значение будет выше, чем температура обеспеченностью 0,95.
На практике приходилось сталкиваться с мнением, что обеспеченность 0,95 вполне достаточна, а достигаемая при этом 95%-ная надежность удовлетворит нужды людей в помещении. Но так ли малы оставшиеся 5% времени, когда система кондиционирования не будет справляться со своими функциями? Опять же, 5% года — это 438 часов или более 18 суток! Если учесть, что в утренние и ночные часы прохладнее, чем днем, получим, что 5% года равносильны 43 рабочим дням.
Итак, при расчете системы кондиционирования, обеспечивающей комфорт в течение 95% времени, фактически вы строите систему, неспособную справиться с теплоизбытками в помещении в течение 1,5 рабочих месяцев. Обеспеченность 0,98 не позволит в достаточной степени охладить помещение в течение 175 часов или почти 18 рабочих дней. Обеспеченности 99% соответствуют 88 часов, или 9 рабочих дней, перегрева.
Второй критерий выбора расчетной температуры наружного воздуха — глубина изучаемого архива погоды. Как правило, в ход идет анализ последних, например, пяти лет. Может быть рассмотрен и архив за более длительный срок —
Если речь идет о повышении уровня надежности климатических систем, при анализе учитывают самый жаркий год. Для Москвы и ряда регионов Центральной России это был 2010 год. А во многих городах Урала наиболее жарким выдалось лето 2015 года.
Наконец, третий критерий — рассматриваемое время суток. Как правило, здесь возможны два варианта — или охлаждение требуется только днем, или круглосуточно. Но следует понимать, что достигнуть заданного уровня комфорта в первом случае сложнее, чем во втором, поскольку дневная температура всегда выше среднесуточной.
СРАВНЕНИЕ ФАКТИЧЕСКИХ ДАННЫХ
Проведем сравнение фактических и нормативных данных для нескольких городов России — Москвы, Санкт-Петербурга, Краснодара и Уфы (таблицы 2 и 3). Для Москвы приведены также графики минимальной и максимальной среднесуточных температур по годам (таблица 1, графики 1 и 2 соответственно).
Как видно из таблицы 2, выбор расчетной температуры для Москвы в зависимости от критерия может изменяться от 24 до 30,6 °C. При этом нормативное значение составляет 26 °C. Для Санкт-Петербурга диапазон оказывается еще шире — от 22 до 29,5 °C, а нормативное значение почти совпадает с осредненной температурой самого жаркого дня.
Для холодного периода года ситуация иная. Здесь нормативное значение не совпадает с каким-либо иным рассматриваемым критерием, а разброс цифр еще больше: от —25 до —12 °C для Москвы; от —10 до —36,5 °C для Санкт-Петербурга.
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
Допустим, требуется подобрать систему кондиционирования для офисного помещения в Москве на 10 человек, где уже есть система вентиляции, но ни охладителя, ни рекуператора в своем составе она не имеет. Сумма всех теплоизбытков, за исключением тепла от наружного воздуха, составляет 7200 ватт. Требуемая температура в помещении составляет Твнутр = 22 °C. Рассмотрим критерии выбора расчетной температуры наружного воздуха в действии.
Согласно нормам, на одно постоянное рабочее место в час требуется 60 кубометров свежего воздуха. Для 10 человек расход приточного воздуха составит G = 600 м3/ч. Нормативная наружная температура для Москвы составляет Тнар = 26 °C.
Тепло, поступающее в помещение за счет приточной вентиляции, вычисляется по формуле
Q = cвозд · возд · G·(Tнар — Tвнутр) / 3600 (1),
где
cвозд = 1,005 кДж/(кг ·°C) — теплоемкость воздуха,
возд = 1,2 кг/м3 — плотность воздуха.
При Тнар = 26 °C по формуле (1) получаем:
Q = 1,005 · 1,2 · 600 ·
Общие теплоизбытки в помещении составят Qнорм = 7,2 + 0,8 = 8 кВт. Аналогичные расчеты были проведены и для других наружных температур (результаты представлены в таблице 4).
Основной вывод, который следует сделать, анализируя данные из таблицы 4, заключается в том, что для повышения комфорта людей в офисе требуются, собственно, не очень большие капитальные и эксплуатационные вложения. Повышение холодопроизводительности системы на 3% ведет к достижению обеспеченности на уровне 0,98. Повышение холодопроизводительности еще на 2% позволит достичь обеспеченности 0,99.
Вспомним, что обеспеченность 0,98 предполагает 18 дней перегрева, а обеспеченность 0,99 — лишь 9 дней. Таким образом, повышение холодопроизводительности на 2% позволяет поддержать оптимальный микроклимат в помещении в течение 9 дополнительных дней в году, сократив длительность перегрева в 2 раза.
Справедливости ради отметим, что погоня за полным отсутствием перегрева, как и любая другая гонка за 100%-ной эффективностью, обойдется заказчику довольно дорого. В частности, рекорд температуры для Москвы составляет 38 °C. Следовательно, для достижения обеспеченности 1,00 необходимо рассчитать систему, исходя из этой температуры наружного воздуха. Теплоизбытки от приточной вентиляции в этом случае составят 3,2 киловатта, общие теплоизбытки 10,4 киловатта, относительный рост мощности системы кондиционирования относительно нормативного расчета равен 30%, а относительно обеспеченности
Но на четвертой строке таблицы 4 следует остановиться подробнее. Здесь речь идет о расчете системы кондиционирования на основании данных о самом жарком дне с точки зрения среднесуточного (а не абсолютного) максимума температуры.
Такой подход является более обоснованным, чем использование абсолютного максимума, поскольку абсолютный максимум — это мгновенное значение, фиксируемое лишь в краткий промежуток времени, тогда как среднесуточная температура имеет длительное воздействие. Кроме того, любой процесс передачи теплоты характеризуется инерционностью. Помещение не будет нагрето наружным воздухом мгновенно. А в ночные и утренние часы существует реальная возможность охладить помещение на дополнительные
Самые теплые сутки в Москве имеют среднюю температуру 30,6 °C. Рост холодопроизводительности системы кондиционирования относительно нормативного значения составляет 12%, а относительно достижения обеспеченности
ПРИМЕР РАСЧЕТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНТАЛЬПИИ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
Однако наиболее правильным является метод, предполагающий определение требуемого изменения энтальпии наружного воздуха в процессе охлаждения для достижения заданной температуры в помещении.
В качестве примера рассмотрим тот случай, когда за основу берутся среднесуточные показатели наружного воздуха.
Отметим, что едва ли в архивах погоды по городам можно будет найти значения энтальпии наружного воздуха. Ее потребуется вычислять дополнительно, зная температуру и относительную влажность. Мы провели необходимые вычисления, выявив максимальные среднесуточные энтальпии в Москве по годам (таблица 5 и график 3).
Итак, максимальная среднесуточная энтальпия наружного воздуха в Москве была в 2010 году и составила 71 кДж/кг при среднесуточной температуре 28 °C и среднесуточной относительной влажности 71%. Для достижения заданных в помещении температуры 22 °C и влажности 50% (энтальпия равна 43 кДж/кг) требуемая полная холодопроизводительность составит
Следует оговорить два важных момента.
Во-первых, почему в температурном расчете фигурировала максимальная среднесуточная температура 30,6 °C, а в энтальпийном 28 °C? Дело в том, что среднесуточный максимум по температуре и по энтальпии был достигнут в разные дни 2010 года. В момент пика температур влажность была сравнительно низка, поэтому энтальпия воздуха не оказалась максимальной. В свою очередь в другой день среднесуточная температура была ниже, а влажность выше, что и обеспечило максимальную среднесуточную энтальпию.
Во-вторых, полученный ранее в расчете на основе максимальной среднесуточной температуры теплоприток (1,7 киловатта) заметно ниже теплопритока, рассчитанного по энтальпийному методу (5,6 киловатта). Это связано с тем, что в первом случае мы получили явный теплоприток, не учитывающий влажность воздуха, а во втором случае — полный теплоприток. В расчетах систем кондиционирования предпочтительно оперировать полными теплопритоками и, соответственно, полной холодильной мощностью кондиционеров.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Безусловно, каждый заказчик вправе самостоятельно выбирать, на какие наружные условия рассчитывать системы отопления, вентиляции и кондиционирования на собственном объекте. Базовыми являются значения, представленные в СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». Выполнение требований не ниже СП особенно важно для системы отопления, но крайне рекомендуется и для систем кондиционирования.
Подход, при котором заказчики стремятся обеспечить максимальный комфорт внутри здания, оставаясь при этом в рамках приемлемого бюджета, видится весьма логичным и обоснованным. Он предполагает изучение климата в регионе строительства и выбор критериев, согласно которым будет определена расчетная температура наружного воздуха. Совместный анализ цифр — длительности допустимого перегрева помещения и относительного прироста стоимости системы при снижении этой длительности — позволяет сделать правильный выбор расчетных параметров.
Юрий Хомутский,
технический редактор
журнала «Мир климата»
