Climatic parameters of the heating season

В процессе определения энергоэффективности здания и расчета годовых затрат теплоты его инженерными системами значительный интерес представляет вопрос о действительных климатических параметрах отопительного периода. Дело в том, что документ [1] устанавливает среднюю температуру наружного воздуха за отопительный период t_оп [°C] и его продолжительность z_оп [сут.], исходя из данных круглосуточных наблюдений. Этого вполне достаточно для оценки энергопотребления системами отопления, поскольку они функционируют, как правило, непрерывно. В то же время системы вентиляции и кондиционирования воздуха (ВиКВ) в большинстве общественных и промышленных зданий действуют только в течение рабочего времени. Поэтому фактическая наружная температура за этот период будет отличаться от указанной в [1] в сторону повышения, поскольку рабочим обычно является светлое время суток.

Системы вентиляции и кондиционирования воздуха в большинстве зданий действуют только в течение рабочего времени.

В работе [2] для учета этого обстоятельства автором предложено использовать поправку Δt к величине t_оп, пропорциональную величине амплитуды суточных колебаний А_tн температуры наружного воздуха в холодный период года [°C], которая также приводится в [1]. Коэффициент пропорциональности при этом зависит от моментов начала и конца рабочего времени. Данная поправка получается, исходя из предположения о суперпозиции регулярного хода среднесуточной температуры и ее суточных колебаний, которые в первом приближении можно считать синусоидальными. Тогда уточненное значение основного климатического параметра, необходимого для расчета энергопотребления системами ВиКВ — градусо-суток отопительного периода D_d [К⋅сут.] — можно вычислить по формуле:

Здесь t_в — средняя по зданию температура внутреннего воздуха, принимаемая по требованиям [3]. Такой подход весьма удобен на начальной стадии проектирования, в том числе на этапе ТЭО, при ориентировочных расчетах, особенно если они имеют большой объем, что заставляет в наибольшей степени сократить количество исходных данных.

Однако при пользовании выражением (1) необходимо всякий раз определять значение Δt для каждого конкретного района строительства. Поэтому для упрощения вычислений можно ввести поправочный коэффициент А к нормативному значению D_d. На рис. 1 представлены результаты расчетов величины А с использованием климатических параметров, указанных в [1], примерно для 120-ти городов РФ. Во всех случаях считалось, что системы ВиКВ начинают работу в 9:00 и заканчивают в 18:00 по местному времени, а температура t_в принималась на уровне +18 °C как средняя для основной части общественных зданий по данным [3].

Легко видеть, что практически всегда параметр А лежит в достаточно узком диапазоне, причем какая-либо статистически значимая корреляция с величиной D_d отсутствует. Это и позволяет считать коэффициент А постоянным и независимым от D_d. Статистическая обработка данных, приведенных на рис. 1, дает для А значение 0,87 ± 0,02. Следовательно, при учете некруглосуточного характера работы систем ВиКВ реальный уровень потребления теплоты оказывается на 13 % ниже, чем при непосредственном использовании нормативных климатических показателей из [1].

Заметим, что мы здесь не рассматриваем влияние на D_d изменения другой их составляющей, а именно z_оп. Конечно, фактическая потребность в теплоте на подогрев приточного воздуха и, соответственно, реальная продолжительность отопительного периода тоже могут отличаться от нормативных значений. Это определяется соотношением теплопоступлений и теплопотерь в конкретном здании, исходя из чего, можно найти предельную наружную температуру, начиная с которой подогрев притока уже не требуется. Однако на практике моменты включения и отключения подачи теплоты системами централизованного теплоснабжения устанавливаются директивно, поэтому в первом приближении величину D_d можно считать фиксированной.

Рассматриваемую модель можно применять в расчетах энергопотребления инженерных систем обеспечения микроклимата здания, в первую очередь ВиКВ.

Теперь необходимо объяснить отсутствие заметной связи А и D_d. Это можно сделать следующим образом. На рис. 2 показано поле корреляции амплитуды А_tн и величины t_оп по данным [1].

Легко видеть, что в данном случае между этими параметрами наблюдается достаточно четкая зависимость с относительно высоким коэффициентом корреляции r = 0,6, причем с повышением t_оп значение А_tн убывает. Соответствующее уравнение регрессии можно записать в виде следующего выражения:

Следовательно, если по определению Δt = aА_tн/2 [2], где a = 0,72 для принятого режима работы систем ВиКВ, тогда с учетом (1) оказывается:

откуда находим:

Иначе говоря, поправка Δt убывает с возрастанием t_оп таким образом, что отношение:

остается практически постоянным. Полученный результат подтверждает наличие глубокой взаимосвязи между основными расчетными параметрами наружного климата, которую можно описать вероятностно-статистической моделью, предложенной автором в работе [4].

Корни данных закономерностей лежат в особенностях вероятностного распределения температур наружного воздуха в течение года, причем эти особенности не зависят от района строительства, а значит, от конкретного температурного диапазона. Последнее возможно, если распределение температур в каждом регионе подчиняется одному и тому же закону, который со значительной степенью точности можно считать нормальным.

В самом деле, погодные условия формируются под влиянием большого количества достаточно независимых факторов, действие которых суммируется. Но тогда в соответствии с центральной предельной теоремой теории вероятностей [5] сумма должна иметь нормальное распределение. То же самое можно утверждать, исходя из существенной турбулентности атмосферных течений, влияющих на погодные процессы.

При этом характерно, что данный закон относится не только к чисто стохастической компоненте изменения температуры наружного воздуха t_н, то есть к ее текущему отклонению от среднемноголетнего значения для той или иной даты, но и к колебаниям t_н в целом, хотя последние на первый взгляд содержат явно закономерную (в первом приближении синусоидальную) сезонную составляющую.

Рассматриваемую модель можно применять в расчетах энергопотребления инженерных систем обеспечения микроклимата здания, в первую очередь ВиКВ, поскольку все вышеприведенные рассуждения можно повторить и для теплого (охладительного) периода. Кроме того, модель имеет простой инженерный вид и требует минимального объема исходной информации, а потому может быть рекомендована для использования в инженерной практике.