Введение
В холодный период года на всей территории Российской Федерации практически во всех зданиях устанавливается режим отопления. По мере уменьшения температуры наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации возрастают теплопотери через наружные ограждающие конструкции, а также на нагревание вентиляционного воздуха. При определённой температуре наружного воздуха внутренние источники тепловыделений не могут в полной мере компенсировать потери, поэтому к зданию подводится тепловая энергия. С этого периода начинается отопительный период.
Параметры отопительного периода — продолжительность и средняя за отопительный период температура наружного воздуха — зависят от климатических условий местности, в которой расположено здание, а также от требуемых для комфортных условий проживания или работы параметров внутреннего микроклимата. Усреднённые значения этих параметров приведены в табл. 3.1 СП 131.13330.2020 «Строительная климатология». В соответствии с требованиями п. 5 Постановления Правительства РФ от 6 мая 2011 года №354 отопительный период должен начинаться не позднее и заканчиваться не ранее дня, следующего за днём окончания пятидневного периода, в течение которого соответственно среднесуточная температура наружного воздуха ниже 8°C или среднесуточная температура наружного воздуха выше 8°C.
Фото 1. Крепление наружных блоков кондиционеров к лицевому слою многослойных стен
Наблюдения показывают, что в приземном слое атмосферы на бόльшей части территории страны наблюдается устойчивое повышение температуры наружного воздуха [1–3]. С одной стороны, данный тренд имеет положительный эффект, благодаря которому уменьшается продолжительность и градусо-сутки отопительного периода, а следовательно, и расход тепловой энергии на отопление зданий, с другой — увеличивается продолжительность тёплого периода года, и всё более отчётливой становится потребность в охлаждении внутреннего воздуха летом.
В настоящее время преобладают системы децентрализованного холодоснабжения, когда жители многоквартирных домов или владельцы (арендаторы) офисов в индивидуальном порядке устанавливают на фасадах или крышах зданий индивидуальные кондиционеры (фото 1 и 2).
Фото 2. Размещение наружных блоков кондиционеров на фасадах исторических зданий
При этом часто нарушаются требования нормативных документов (см. п. 9.37 СП 15.13330.2020 «Каменные и армокаменные конструкции»), а также страдает эстетический вид зданий и их фасадов. В этой связи по аналогии с системами централизованного теплоснабжения представляется целесообразным развитие систем централизованного холодоснабжения, более эффективных и надёжных по сравнению с децентрализованными [4].
Системы централизованного холодоснабжения могут быть реализованы в том числе на источниках тепловой энергии. Для этого на тепловых станциях устанавливаются парокомпрессионные или абсорбционные холодильные машины, позволяющие вырабатывать холод в тёплый период года. Абсорбционные холодильные машины для получения холода могут использовать вырабатываемые на станции пар или перегретую воду. При открытой системе ГВС для подогрева подпиточной воды тепловой сети возможна утилизация тепла конденсаторов холодильных машин, что повысит эффективность выработки тепла на станциях.
Для реализации данной идеи по аналогии с существующими параметрами отопительного периода требуется установить параметры — продолжительность и градусо-сутки периода охлаждения воздуха в помещениях.
Математическая модель теплового баланса здания для периода охлаждения
Рассмотрим тепловой баланс здания в тёплый период эксплуатации (предположительно — летний) и оценим, при какой температуре наружного воздуха требуется охлаждать помещения.
Рис. 1. Схема теплового баланса здания в тёплый период года
Схема теплового баланса здания схематично представлена на рис. 1. Представленную на рис. 1 схему аналитически можно описать в виде следующего уравнения баланса притока/отвода теплоты в помещении, оборудованном системой кондиционирования воздуха:
где Kmtr — приведённый коэффициент теплопередачи через наружные ограждающие конструкции здания, Вт/( м²·К); Aн.огр — площадь наружных ограждающих конструкций, м²; tн — температура наружного воздуха, °C; ρ — коэффициент поглощения солнечной радиации; J — интенсивность солнечной радиации, Вт/м²; αн — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающих конструкций, Вт/( м²·К); tв* — верхняя граница допустимого диапазона температур для тёплого периода года, согласно данным ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные» tв* = 28°C; qбыт — удельные бытовые теплопоступления в здании, Вт/м²; qохл — удельная нагрузка на охлаждение жилых помещений, Вт/м²; Аж — жилая площадь здания, м².
В левой части уравнения (1) показаны основные теплопритоки в помещение в тёплый период года, в правой — нагрузка системы охлаждения, требуемая для поддержания в здания требуемой температуры внутреннего воздуха tв*.
Режим вентиляции и теплопоступления с вентиляцией здесь не рассматриваются, так как в тёплый период года в безветренную погоду вклад режима естественной вентиляции помещений в тепловой баланс оказывается незначительным.
Выражение вида:
отражает так называемую «условную температуру внешней среды», учитывающую не только температуру наружного воздуха, но и вклад в неё солнечной радиации.
Введение условной температуры наружного воздуха позволяет учесть теплопоступления от солнечной радиации.
Целью составления уравнения теплового баланса здания является установление температуры наружного воздуха, при которой теплоизбытки в помещении приводят к повышению температуры внутреннего воздуха tв выше допустимого предела tв*, то есть когда tв ≥ tв*.
Из схемы, представленной на рис. 1, становится понятным, что избытки тепла в помещениях должна компенсировать система охлаждения.
Примем qохл = 0. В этом случае можно рассчитать температуру наружного воздуха, при которой становится необходимым кондиционирование помещений в тёплый период года.
Получим выражение вида:
где все обозначения те же, что и в уравнении (1).
Для установления конкретных значений температуры наружного воздуха, при которой требуется кондиционирование помещений, введём ряд следующих упрощений и допущений.
В соответствии с данными табл. И. 2 СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», на географической широте 56° для фасадов западной ориентации среднее значение суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной) на вертикальные поверхности принято равным 200 Вт/м².
Для фасадов, ориентированных по всем восьми румбам, среднесуточные значения поверхностной плотности потока солнечной радиации (прямой и рассеянной), поступающей в июле на вертикальные поверхности для географической широты 56°, приведены в Пособии 2.91 к СНиП 2.04.05–91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» (рис. 2).
Рис. 2. Среднесуточные значения поверхностная плотность потока солнечной радиации (прямой и рассеянной), поступающей в июле на вертикальные поверхности для 56° с. ш.
Усреднённое по всем восьми румбам значение среднесуточной поверхностной плотности потока солнечной радиации, поступающей в июле на вертикальные поверхности для географической широты 56° составит:
Усреднённый для наружных поверхностей зданий коэффициент поглощения солнечной радиации примем равным 0,6.
Коэффициент теплоотдачи наружных вертикальных ограждающих конструкций рассчитывается по формуле:
αн = 5,8 + 11,6КОРЕНЬ(v), (4)
где ν — скорость ветра [м/с], которая принимается равной минимальной из средних скоростей ветра по румбам за июль, в СП 131.13330 для климатических условий Москвы она установлена равной 0 м/с, но должна приниматься не менее 1 м/с. Тогда
αн = 5,8 + 11,6КОРЕНЬ(1,0) = 17,4 Вт/( м²·К).
Для упрощения дальнейших расчётов, с учётом того, что скорость ветра может оказаться выше 1 м/с, примем её равной 20 Вт/( м²·К).
Величину внутренних бытовых тепловыделений для тёплого периода года примем равной 5 Вт/м². Это значение ниже, рекомендуемых в СП 50.13330, так как летом теплопоступления от внутренних источников тепла ниже, чем зимой. Максимум теплопритоков от солнечной радиации приходится на дневное время, когда люди редко используют искусственное освещение. Если обеспеченность жилой площадью в Москве принять равной 20 м² на человека, то удельные тепловыделения на человека составят около 100/20 = 5 Вт/м².
Приведённый коэффициент теплопередачи через наружные ограждающие конструкции здания Kmtr примем равным 0,5 м²·К/Вт (характерный для нового строительства случай).
Отношение жилой площади здания к площади наружных ограждающих конструкций примем равным 0,4 (из опыта проектирования).
Подставим принятые с допущениями значения показателей, входящих в уравнение (3). Получим:
Таким образом, видно, что в тёплое время года уже при температуре наружного воздуха +19°C в Москве требуется охлаждать помещения, поскольку бытовые и солнечные теплопоступления приводят к перегреву помещений.
Интенсивность солнечной радиации оказывает существенное значение на величину температуры начала периода охлаждения. Данная зависимость представлена на рис. 3 в пределах от нулевого значения интенсивности солнечной радиации до максимально возможного для климата Москвы (699 Вт/м²).
Рис. 3. Зависимость температуры начала периода охлаждения от солнечной радиации
Из рис. 3 видно, что при интенсивности солнечной радиации 700 Вт/м² и при учёте бытовых тепловыделений охлаждение воздуха в помещениях может потребоваться уже при температуре наружного воздуха 3°C. Понятно, что это маловероятный сценарий, причём как для летних, так и для зимних условий в Москве. Поэтому для практических целей летнего режима охлаждения воздуха в зданиях достаточно пользоваться верхней частью этого графика — при температуре наружного воздуха 16°C и выше. Попадание в область, расположенную выше прямой на графике рис. 4, означает необходимость использования системы охлаждения воздуха в помещениях, ниже — отсутствие такой необходимости. Аналогичная зависимость, построенная без учёта бытовых тепловыделений, представлена на рис. 3 сплошной линией.
Рис. 4. Количество суток с температурой tн ≥ 21 °C в городе Москве
В работе [5] температура наружного воздуха начала/окончания охладительного периода применительно для климата Москвы была оценена в диапазоне 12,6–13,7°C. Такое значение представляется в значительной степени заниженным, что обусловлено высокой долей удельных бытовых теплопоступлений, принятых автором в модели расчёта.
В исследовании [6] температурная граница начала/окончания охладительного периода получена равной 20°C, что значительно ближе к полученному в настоящем исследовании результату. В статье [7] обосновано более высокое значение базовой температуры для начала периода охлаждения, равное 21°C. Это же значение температуры принято в качестве базового в СП 370.1325800.2017 «Устройства солнцезащитные зданий».
В США при оценке продолжительности охладительного периода (Cooling Degree Days, CDD) точкой начала для расчёта CDD принимается температура наружного воздуха выше 65°F (18,3°C) [5], в Великобритании — +15,5°C [7], в странах Евросоюза — +21°C [8], в Индии — +26°C [9].
При этом в странах Евросоюза для расчёта CDD учитываются только дни со среднесуточной температурой воздуха, равной или превышающей 24°C. Следует отметить, что полученная оценка температуры начала периода охлаждения получена без учёта теплоты от солнечной радиации, поступающей в помещения через светопрозрачные ограждения.
В ночное время суток солнечная радиация отсутствует. В этой связи произведём оценку температуры наружного воздуха по формуле (3) без учёта теплопоступлений от солнечной радиации. Получим значение, равное:
То есть в ночное время суток для обеспечения комфортных условий микроклимата в помещениях температура наружного воздуха, при которой требуется охлаждение, оказывается выше, чем днём. Долгота дня в Москве летом составляет от 14 ч в августе до 17,5 ч в июне.
Прямая и рассеянная солнечная радиация, поступающая в помещение через светопрозрачные ограждения, частично поглощается поверхностями ограждающих конструкций (стен, полов, перегородок, колонн, потолка, мебели, оборудования), частично отражается от них и покидает помещение через остекление. И только поступившая (оставшаяся) доля ассимилируется воздухом помещения и является составляющей нагрузки на систему кондиционирования. Величина этой доли зависит от характеристик теплоусвоения и теплопоглощения внутренними несущими и ограждающими конструкциями, а также предметами интерьера и мебелью.
С учётом теплоусвоения солнечной радиации внутренними ограждениями и предметами интерьера даже после захода солнца за горизонт температура воздуха в помещении ещё какое-то время будет оставаться повышенной за счёт теплоотдачи поверхностями ассимилированной ими днём теплоты внутреннему воздуху, в связи с чем период охлаждения воздуха будет продолжаться. В то же время в утренние часы, несмотря на приход солнечной радиации, за счёт того же теплопоглощения солнечной радиации внутренними ограждениями и предметами интерьера температура воздуха будет повышаться с некоторым отставанием относительно возрастания условной температуры наружного воздуха, что будет частично или полностью компенсировать время вынужденного кондиционирования воздуха в более ранние ночные (вечерние) часы суток.
Если среднюю долготу дня в летний период принять равной 16 ч, то уточнённое средневзвешенное значение температуры наружного воздуха для определения граничных дат начала/окончания периода охлаждения воздуха в помещениях можно принять равным:
Полученная таким образом оценка коррелирует с результатами, приведёнными в работах [6, 7]. После округления полученного значения до целых чисел окончательно температуру начала/окончания охладительного периода примем равной 21°C, которая полностью соответствует базовому значению температуры наружного воздуха, устанавливаемой Eurostat при определении величины CDD [8], и СП 370.1325800 при определении периода охлаждения.
Математическая модель теплового баланса здания для отопительного периода
Рассмотрим тепловой баланс здания в переходный период по мере приближения отопительного сезона и определим температуры начала и окончания отопительного периода.
Для этого также воспользуемся уравнением баланса, но следующего вида:
KmtrAн.огр(tв* — tн) — qбытAж = 0, (5)
где все обозначения те же, что и в (1).
В уравнении (1) не учтены солнечные теплопоступления. Знак «ноль» в правой части уравнения означает, что охладительный период уже закончился, а отопительный — ещё не начался. Положительная разница температур направлена от внутреннего воздуха к наружному, то есть потери теплоты через наружную оболочку здания теперь нужно считать изнутри наружу. Соответственно, бытовые тепловыделения теперь имеют противоположный знак, поскольку они стремятся нагреть помещение. В уравнении (1) бытовые и трансмиссионные потоки тепловой энергии относились к теплопоступлениям (выступали в качестве источниковых членов в уравнении баланса), в уравнении (5) бытовые тепловыделения остаются источниковым членом теплового баланса, а трансмиссионные — стоковым.
Если рассматривать один и тот же так называемый «модельный объект», то значения Kmtr, Aн.огр и Аж остаются неизменными (объективности ради отметим, что значения Kmtr в тёплый и холодный периоды года всё же будут отличаться ввиду чисто физических причин, поскольку λ = f(t), но эти изменения окажутся не столь значительными и на конечный результат практически не повлияют). А вот бытовые теплопоступления qбыт и расчётную температуру внутреннего воздуха tв* следует принимать несколько иными.
Температуру внутреннего воздуха для холодного периода года следует принимать равной минимально допустимой по ГОСТ 30494, то есть 18°C.
Бытовые тепловыделения в переходный период, по сравнению с тёплым периодом года, также возрастают. Во-первых, возрастает заселённость квартир, поскольку летом многие жильцы находятся в отпусках или проживают за городом (ввиду того же ими реже используются электрические приборы и оборудование), во-вторых, летом значительно меньше используется освещение. Ввиду этого величину бытовых тепловыделений qбыт для переходного периода примем равной 12 Вт/м².
Найдём из уравнения (5) выражение для наружной температуры tн. Получим:
Подставим в уравнение (6) исходные данные. Получим:
Полученное значение оказалось близким к тому, которое принято для установления начала/окончания отопительного периода в жилых зданиях (+8°C). Небольшое различие обусловлено в основном тем, что ранее удельные бытовые тепловыделения qбыт принимались, как правило, выше (до 17 Вт/м²), а приведённый коэффициент теплопередачи через наружные ограждающие конструкции зданий Kmtr — ниже. В этой связи, возможно, целесообразным является установление различной продолжительности отопительного периода для зданий, обладающих различными теплозащитными свойствами ограждающих конструкций, то есть для более утеплённых зданий продолжительность отопительного периода может быть в значительной степени сокращена. А для зданий, построенных до повышения требований по тепловой защите, начало отопительного периода следует назначать раньше, а окончание — позже. Для некоторых жителей температура внутреннего воздуха 18°C может оказаться недостаточно комфортной. Если в формулу (6) вместо 18°C подставить 20 или 22°C, то становятся понятными жалобы многих жильцов на дискомфорт в жилых помещениях перед началом отопительного периода.
Полученные результаты и их обсуждение
Таким образом, можно выделить следующие периоды работы инженерных систем в жилых зданиях в течение года:
- отопительный, в течение которого для поддержания комфортных параметров микроклимата в здании требуется включение системы отопления;
- охладительный, в течение которого для поддержания комфортных параметров микроклимата в здании требуется включение системы кондиционирования помещений;
- переходный, в течение которого в здании устанавливаются комфортные или допустимые условия без искусственного нагрева и охлаждения воздуха, причём таких переходных периодов в течение года будет наблюдаться два: первый (поздней весной в начале лета — после окончания отопительного периода и до начала охладительного) и второй (в конце лета и начале осени — после окончания охладительного периода перед началом следующего отопительного).
Их характерные параметры и граничные условия, применительно для климата Москвы, представлены в табл. 1.
Градусо-сутки периода охлаждения рассчитаны по формуле:
ГСПО = (tн.охл — 21)zохл, (7)
где tн.охл — температура наружного воздуха для охладительного периода, усреднённая за сутки, в течение которых среднесуточная температура наружного воздуха превышает 21°C, °C; zохл — продолжительность охладительного периода, сут.
За период с 1991 по 2020 годы в среднем количество суток, в течение которых в Москве температура наружного воздуха превышала 21°C, принятой в качестве базового значения для начала или окончания охладительного периода, составило 24, а среднее значение температуры наружного воздуха для них составило 23,2°C. При этом сутки со средней температурой 21°C и выше часто не следуют одни за другими. Их максимальное количество приходится на наиболее жаркий месяц года в Москве, то есть на июль. В 1993 году количество суток со средней температурой наружного воздуха, большей или равной 21°C, в Москве оказалось равным пяти, в 2010 году — 59 (рис. 4). При этом за весь рассматриваемый 30-летний период имеет место возрастающий тренд.
Здесь следует отметить, что охладительный период, вероятно, более корректно оценивать не в градусо-сутках, а в градусо-часах, поскольку в ночное время или во время продолжительных пасмурных дней, сопровождаемых обильным выпадением осадков, необходимость в кондиционировании воздуха в значительной степени снижается, то есть работа систем охлаждения в них осуществляется периодически. Для оценки градусо-часов охладительного периода следует выполнить анализ часовых данных изменения температур наружного воздуха в течение летнего периода года, по крайней мере, за последние пять-десять лет и выявить тренды их изменения, как это показано, например, в исследованиях [2, 3] или использовать данные типового климатического года [10], составленного на основании анализа многолетних климатических данных за последние 30 лет.
В то же время для централизованных систем холодоснабжения режим периодического охлаждения помещений может оказаться менее выгодным, так как увеличит прогнозируемые сроки окупаемости инвестиций в установку холодильного оборудования на источниках выработки холода. Для крупных поставщиков энергии важно понимать величину денежных потоков, достигаемых при реализации крупного инвестиционного проекта.
В этой связи при организации централизованного холодоснабжения целесообразно выделить особые группы зданий:
- жилые, с периодом охлаждения в течение суток Tохл < 24 ч;
- общественные, время кондиционирования в которых в основном совпадает с продолжительностью рабочего дня (офисные здания) или графиком их работы (торговые центры);
- технологические, с Tохл ≈ 24 ч (ЦОДы, производственные здания со значительными тепловыделениями, крупные складские комплексы и др.).
Приведённые в табл. 1 результаты исследования следует относить к жилым и общественным зданиям. Для зданий, внутренние тепловыделения в которых сопоставимы с иными источниками теплопоступлений, следует их учесть в тепловом балансе. Для этого может быть использована в том числе модель (1).
В перспективе ожидается увеличение количества потребителей холода. С развитием информационных технологий в современных офисных зданиях для ряда помещений с высоким уровнем внутренних тепловыделений (узлов связи, мультиплексорных, серверных и др.) становится характерной необходимость потребления холода в течение всего календарного года.
В последнее десятилетие наблюдается экспоненциальный рост генерируемых информационных потоков, в связи с чем набирает популярность новый вид бизнеса — поставка потребителям вычислительной мощности центров обработки данных (ЦОД), которые являются крупными потребителями холода с продолжительным периодом охлаждения. Увеличению потребности в холоде способствует и тенденция повышения степени остеклённости фасадов строящихся зданий, для которых характерно увеличение теплопоступлений от солнечной радиации.
Одним из наиболее перспективных направлений развития систем холодоснабжения является их централизация, которая может быть реализована в том числе на существующих тепловых станциях. Организация производства на тепловых станциях сразу трёх видов энергии — электричества, тепла и холода (тригенерация) — позволит повысить их эффективность за счёт дополнительной загрузки теплогенерирующего оборудования станций в тёплое время года и увеличить выработку электрической энергии на тепловом потреблении.
Заключение
На основании выполненного исследования можно сформулировать следующее:
1. Анализ климатических данных показывает, что в большинстве регионов страны наблюдается устойчивый тренд повышения температуры наружного воздуха в тёплый период года.
2. С возрастанием температур наружного воздуха в летний период года возрастает и потребность населения в холоде.
3. В связи с увеличением мощности телекоммуникационного и информационного оборудования для компенсации внутренних тепловыделений в современных офисных зданиях ожидается увеличение нагрузок холодоснабжения, а также рост числа потенциальных потребителей, использующих холод в течение значительной части календарного года.
4. В настоящее время в России преобладают индивидуальные (децентрализованные) системы холодоснабжения.
5. Наружные блоки индивидуальных кондиционеров, установленные на фасадах или крышах зданий, часто не только противоречат требованиям действующего законодательства, но и нарушают эстетический вид зданий.
6. В этой связи целесообразным представляется развитие в крупных городах России систем централизованного холодоснабжения, более эффективных и надёжных по сравнению с децентрализованными системами.
7. Системы централизованного холодоснабжения могут быть реализованы в том числе на базе действующих источников тепловой генерации (котельных и ТЭЦ).
8. Производство на существующих тепловых станциях трёх видов энергии — электричества, тепла и холода (тригенерация) — позволит использовать генерирующие мощности круглый год и тем самым повысить их эффективность.
9. Для обеспечения централизованного холодоснабжения по аналогии с существующими параметрами отопительного периода требуется установить продолжительность и градусо-сутки охладительного периода.
10. В настоящем исследовании выполнен расчёт продолжительности и параметров охладительного периода применительно непосредственно для климатических условий города Москвы.
11. Модель проверена по данным отопительного периода.
12. На основании уравнения теплового баланса определены температура начала/окончания охладительного, отопительного и переходного периодов года применительно для климатических условий города Москвы и их продолжительности.
13. Для климатических условий Москвы период охлаждения оказывается существенно меньше отопительного периода. Однако с учётом существующего тренда повышения температуры воздуха в приземном слое Земли потребность в охлаждении воздуха в помещениях в тёплый период года будет увеличиваться, что необходимо учитывать при развитии систем энергоснабжения регионов Российской Федерации.
