Уточнение величин внутренних теплопоступлений для зданий различного назначения как в отопительный период, так и в период охлаждения, изложенное ранее в журнале СОК [1], позволило разработать такую методику, алгоритм которой представлен в настоящей статье.
Определение условного охладительного периода для зданий при центральном кондиционировании воздуха
Центральное кондиционирование получило наибольшее распространение в общественных зданиях, для которых характерен периодический режим эксплуатации. Поэтому условный охладительный период, как и при отоплении таких зданий, определяется в зависимости от температуры наружного воздуха в рабочее время и начинается/оканчивается, когда внутренние теплопоступления становятся равными теплопотерям через наружные ограждения и на нагрев наружного воздуха в объёме нормативного воздухообмена для вентиляции, при обеспечении расчётной температуры воздуха в помещениях согласно СП 60.13330.2020 [2] для тёплого периода года.
Температура начала/окончания условного охладительного периода по аналогии с отопительным периодом находится из уравнения теплового баланса здания без учёта теплопоступлений от солнечной радиации, поскольку они имеют не постоянный и однонаправленный характер — в пасмурные дни солнечная радиация весьма незначительная, как и в помещениях северного фасада здания в солнечный день, и должна учитываться дополнительно в зависимости от ориентации отдельных помещений по сторонам света. Следует также иметь в виду, что расчёт энергии охлаждения выполняется на стадии до выбора решения, какими средствами реализовывать охлаждение — через водяную систему охлаждения или приточную вентиляцию, поэтому в тепловом балансе здания учитываются теплопоступления с приточной вентиляцией, когда температура наружного воздуха в рабочее время выше температуры воздуха в основных помещениях здания, как и теплопоступления через наружные ограждения в этот период, в соответствии с формулой (1) теплового баланса здания из [3].
В периоды превышения наружной температуры над внутренней знак этих составляющих баланса меняется, и они прибавляются к бытовым теплопоступлениям, увеличивая охладительную нагрузку:
(KтрАогр.сум + 0,28Lвентρвcа)(tв.ох — tн.ох.приQох.зд=0) = qвн.охАпол. (1)
Отсюда находят температуру начала/окончания охладительного периода:
tн.ох.приQох.зд=0 = tв.ох — qвн.охАпол/(KтрпрАогр.сум + 0,28Lвентρвcа), (2)
где tн.ох.приQох.зд=0 — температура наружного воздуха начала/окончания условного охладительного периода, °C; tв.ох — расчётная температура внутреннего воздуха помещений для охладительного периода [°C], принимается согласно СП 60.13330 [2] по верхнему уровню в комфортном диапазоне температур для тёплого периода года 22–25°C, рекомендуется для районов с континентальным климатом — 24°C, субтропическим — 25°C; qвн.ох — удельная величина внутренних теплопоступлений в помещения в охладительный период [Вт/м²], принимается с использованием табл. 1, исходные данные для расчёта удельной величины среднечасовых бытовых (внутренних) тепловыделений за рабочее время в течение отопительного/охладительного периода для жилых и общественных зданий различного назначения берутся из [1]; Aпол — полезная площадь отапливаемых помещений общественного или производственного здания, за исключением лестничных клеток, технических этажей, пандусов и автопарковок, м²; Kтрпр — приведённый коэффициент теплопередачи через наружные ограждающие конструкции здания, Вт/( м²·°C); Аогр.сум — сумма площадей всех наружных ограждений отапливаемой оболочки здания, м²; Lвент — нормируемое значение количества приточного наружного воздуха, подаваемого в помещения здания [ м³/ч], принимается по таблице из [4]; ρв — плотность внутреннего воздуха, ρв = 1,2 кг/м³; cа — удельная теплоёмкость воздуха, cа = 1,0 кДж/(кг·°C).
В общем виде формула определения расхода холода на охлаждение и вентиляцию здания записывается как:
Qох.зд = Qвн.ох.п + Qогр.ох.п.клим + Qвент.ох.п.клим + ∆Qогр.инс + Qинс.ох.п. (3)
где Qох.зд — расхода холода на охлаждение и вентиляцию здания, кВт·ч; Qвн.ох.п — внутренние теплопоступления от людей, электрических приборов и оборудования, находящихся в кондиционируемых помещениях здания, и от их освещения за условный охладительный период, кВт·ч; Qогр.ох.п.клим — теплопоступления через наружные ограждающие конструкции здания за климатический охладительный период [ кВт·ч], когда средняя температура наружного воздуха в рабочее время выше расчётной температуры воздуха в помещении; Qвент.ох.п.клим — теплопоступления с приточной вентиляцией за климатический охладительный период [ кВт·ч], когда tн.ср.клим.ох.п.раб > tв.ох; ∆Qогр.инс — дополнительные теплопоступления за счёт повышения температуры наружной поверхности ограждений из-за облучения их солнцем, кВт·ч; Qинс.ох.п — теплопоступления от солнечной радиации через светопрозрачные ограждающие конструкции за условный охладительный период, кВт·ч.
Расчёт годового холодопотребления помещениями зданий необходим для определения конечного потребления энергии этим зданием, установления класса энергетической эффективности и для оценки здания, как среды обитания человека, в рейтинговых системах. На сегодняшний день в России — ни в нормативно-технических документах, ни в специализированной литературе, — не существует методик, результатом которых было бы нахождение искомого значения годового расхода энергии на охлаждение зданий (именно годового расхода, а не для выбора производительности охладительной установки) путём выполнения последовательных операций с указанием алгоритма их действий и приведения обоснованных значений исходных данных.
На данную тематику были найдены статьи [5, 6], но в работе [5] при определении потребности холода для кондиционирования учитывается только разность энтальпий наружного воздуха и воздуха, выходящего из форсуночной камеры. Внутренние теплопоступления в помещениях и теплопоступления за счёт превышения температуры наружного воздуха над внутренним во внимание не принимаются. Пример сделан только на зимний режим, а необходимые удельные годовые показатели отсутствуют.
В статье [6] внимание сконцентрировано на изучении процессов нестационарности теплового баланса помещений здания и предполагается определять граничные условия температур начала периода охлаждения с учётом почасового колебания температуры наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации. Но, как уже упоминалось, теплопоступления от солнечной радиации, поскольку они имеют не постоянный и однонаправленный характер, не должны учитываться при определении начала/окончания периода охлаждения, как они не учитываются при определении мощности системы отопления. Кроме того, в работе [6] не приводятся значения удельного годового расхода холода, необходимого для охлаждения жилого и офисного помещений.
По поводу учёта процессов нестационарности в ISO 13790:2008 (Е) [7], на основании которого выполнялись расчёты (с оглядкой на наши национальные особенности), в разделах 5.3–5.4 этого документа рекомендовано «при расчёте энергопотребления зданием за длительный период (обычно, месяц или сезон) использовать метод квазистационарного состояния, который позволяет учесть динамические эффекты за счёт выведенного эмпирическим путём показателя использования притоков или потерь». В наших расчётах из-за отсутствия достаточного практического опыта этот коэффициент пока принят равным 1,0. Рассчитанная по данной методике величина удельного годового расхода холода будет максимальной величиной, поскольку её уточнение с использованием динамических характеристик только понизит это значение. Сведения о климатических данных района строительства следует принимать в соответствие с СП 131.13330.2020 «Строительная климатология» [8], в наших расчётах для условий г. Москва они приняты по таблице из МГСН 4.19–2005 [9], которая приводится в табл. В. 13 Приложения В обновлённой редакции стандарта СТО НОП 2.1–2014 [10] (в МГСН 2.01–99 эта таблица ошибочна).
Определение годового расхода холода на охлаждение офисов
а) Уточнение метеорологических параметров периода охлаждения
Поскольку, как показано в формуле (1), после установления удельной величины внутренних теплопоступлений, в зависимости от плотности заполнения кондиционируемых помещений людьми, для определения годового расхода холода на охлаждение и вентиляцию необходимо знать теплотехнические и геометрические параметры объекта исследования, в качестве примера возьмём четырёхэтажный офис полезной площадью Апол = 1243 м², строящийся в московском регионе, с теплозащитой в двух вариантах: с базовым уровнем сопротивления теплопередаче наружных ограждений (по табл. 3 СП 50.13330.2012 [11]) и соответствующим требованиям первого этапа повышения энергетической эффективности зданий (на 15% превышающем базовый уровень, за исключением окон, где сопротивление теплопередаче принято по величинам, достигнутым промышленностью).
Количество работников (при 10 м² полезной площади помещений на одного работника) составляет m = 1243/10 = 124 человек.
Подробный расчёт выполнен в обновлённой редакции стандарта СТО НОП 2.1–2014 «Требования к содержанию и расчёту показателей энергетического паспорта проекта жилого и общественного здания» [10].
Сумма площадей всех наружных ограждений отапливаемой оболочки здания Аогр.сум = 2146 м²; в том числе: площадь стен — 1072 м², их приведённое сопротивление теплопередаче — 2,68/3,08 м²·°C/Вт (здесь в числителе — для дома с базовым сопротивлением теплопередаче наружных ограждений, в знаменателе — соответствующая 15% превышению базового уровня); площадь окон — 235 м² (0,54/0,80 м²·°C/Вт); площадь покрытия — 415 м² (3,58/4,12 м²·°C/Вт); площадь цокольного перекрытия — 415 м² (3,03/3,48 м²·°C/Вт); площадь наружных дверей — 9 м² (Rрдв = 0,8 м²·°C/Вт). Отапливаемый объём здания Vот = 5900 м³, компактность здания Аогр.сум/Vот = 0,36, отношение площади светопрозрачных ограждений к площади фасадов — 0,18.
Приведённый трансмиссионный коэффициент теплопередачи здания равен Kтрпр = 0,514/0,407 Вт/( м²·°C).
Находим температуру начала/окончания условного охладительного периода tн.ох.приQох.оф=0 из формулы (2) для двух вариантов теплозащиты здания: базовой, характеризуемой приведённым трансмиссионным коэффициентом теплопередачи здания Kтрпр.баз = 0,514 Вт/( м²·°C), и повышенной на 15% — Kтрпр.пов = 0,407 Вт/( м²·°C), при условии поддержания в помещениях температуры внутреннего воздуха на заданном оптимальном для тёплого периода года уровне tв.ох = 24°C и вентиляционного воздухообмена исходя из минимального уровня 40 м³/ч наружного воздуха на одного работающего Lвент = 40×124 = 4960 м³/ч:
tн.ох.приQох.оф=0 = tв.ох — qвн.охАпол/(KтрпрАогр.сум + 0,28Lвентρвcа);
tнбаз.ох.приQох.оф=0 = 24–19,3×1243/(0,514×2146 + 0,28×4960×1,2×1,0) = 15,3°C;
tнпов.ох.приQох.оф=0 = 24–19,3×1243/ (0,407×2146 + 0,28×4960×1,2×1,0) = 14,6°C,
где qвн.ох = 19,3 Вт/м² — внутренние удельные теплопоступления в летний период, интерполированные в табл. 1 на принятое в примере заполнение офиса исходя из 10 м² на одного человека, пересчитанные по методике, изложенной в [1]:
qвн.ох.оф. 10 = (Qp/Aпол)τмет/τ + КqE(qE.годfE)103/(τ365) = (80/10)×6/6 + 0,877×(31,3×0,9)×103/(6×365) = 19,3 Вт/м².
Примечание: Температура начала/окончания охладительного периода — это условная величина для определения годовой потребности в холоде на кондиционирование воздуха при установлении нормируемого значения энергопотребления зданиями. В действительности включение охлаждения будет происходить автоматически по температуре воздуха в кондиционируемом помещении, возможно, и при более низких наружных температурах, например, в солнечные дни, но при полном использовании «фрикулинга», описанного в [10]. В отличие от отопительного периода, где задержка с его началом приводит к значительному нарушению комфорта и массовым жалобам, опоздание с началом периода охлаждения таких жалоб не вызывает, а избыток теплоты может быть частично снят за счёт проветривания путём открывания окон.
Длительность zох.п и средняя температура наружного воздуха условного охладительного периода tн.ср.ох.п.раб находятся из графика времени стояния наружных температур для рассматриваемого региона и пересчёта показателей средней температуры каждого смежного месяца, в котором есть дни с температурой выше температуры начала/окончания охладительного периода, в средние температуры наружного воздуха в течение рабочего времени по нижеследующей методике.
При определении zох.п.раб следует учитывать, что в центральном регионе РФ среднемесячные температуры наружного воздуха в самые жаркие летние месяцы не превышают 18,7°C, что свидетельствует о довольно низких ночных температурах, не требующих охлаждения, тем более для офисных зданий это нерабочее время, поэтому целесообразно вычислить длительность стояния средних температур наружного воздуха в течение рабочего времени согласно СП 131.13330 [8], применительно к отопительному периоду, по следующей зависимости:
tоп.раб = tоп + ∆t,
где применительно к охладительному периоду: tоп.раб = tн.ср.ох.п.раб — средняя наружная температура охладительного периода для рабочего времени; tоп = tн.ох.п — средняя суточная наружная температура охладительного периода для данного региона; ∆t — разность между значениями средней температуры охладительного периода для суток в целом и для части суток. Она зависит от длительности рабочего времени объекта в пределах суток и средней амплитуды суточных колебаний (отклонение от среднесуточного значения) температуры наружного воздуха Atн [°C], принимаемой по имеющимся климатическим данным согласно СП 131.13330 [8] в зависимости от района строительства. В частном случае при начале рабочего дня в 09:00 и окончании в 18:00: ∆t = 0,72Atн.
Тогда средняя температура наружного воздуха в летние и примыкающие к ним месяцы в рабочее время, используя климатические данные города Москвы о среднесуточной температуре наружного воздуха каждого месяца и принятой температуре tн.ох.приQох.оф=0 = 15°C, будет:
- апрель 6,4 + 0,72×5,4 = 10,3°C;
- май 13,0 + 0,72×9,6 = 19,9°C;
- июнь 16,9 + 0,72×9,6 = 23,8°C;
- июль 18,7 + 0,72×9,6 = 25,6°C;
- август 16,8 + 0,72×9,6 = 23,7°C;
- сентябрь 11,1 + 0,72×9,6 = 18,0°C;
- октябрь 5,2 + 0,72×5,4 = 9,1°C.
Апрель и октябрь — это месяцы отопительного периода, и в них средняя амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха составляет Atн = 5,4°C, тогда как для охладительного периода Atн = 9,6°C (из СП 131.13330 [8]).
Результаты сложения — это средние температуры наружного воздуха в рабочее время в середине месяца; 1 мая и 30 сентября средняя температура, соответственно, будет: (19,9 + 10,3)/2 = 15,1°C и (18,0 + 9,1)/2 = 13,6°C, а средняя температура наружного воздуха в рабочее время (15°C) будет 25 сентября. Тогда средняя температура с 1 по 25 сентября будет: [1830 — (15 + 13,6)/25]/25 = 18,74°C.
Очевидно, что в условный охладительный период по числу дней со средней температурой наружного воздуха выше 15°C, когда внутренние теплопоступления будут превышать теплопотери, вошли zох.п = 148 дня с 1 мая по 25 сентября.
Средняя наружная температура этого охладительного периода для рабочего времени находится как среднеарифметическое значение:
tн.ср.ох.п.раб = (31×19,9 + 30×23,8 + 31×25,6 + 31×23,7 + 25×18,74)/148 = 22,5°C.
б) Определение внутренних теплопоступлений за охладительный период
При определении потребности в охлаждении внутренние теплопоступления за условный охладительный период Qвн.ох.п [ кВт·ч], принимают с учётом того, что при температурах наружного воздуха ниже расчётной внутренней температуры tв.ох = 24°C они будут частично компенсировать теплопотери через наружные ограждения. Поэтому они должны быть снижены пропорционально отношению разности внутренней температуры и средней наружной за охладительный период tн.ср.ох.п.раб к разности (tв.ох — tн.ох.приQох.оф=0):
Qвн.ох.п = qвн.ох.офАполzох.пτ10–3[1 — (tв.ох — tн.ср.ох.п.раб)/(tв.ох — tн.ох.приQох.оф=0)]; (4)
Qвн.ох.п = 19,3×1243×148×6×10–3×[1 — (24–22,5)/(24–15)] = 17750 кВт·ч.
где qвн.ох.оф — удельная величина внутренних теплопоступлений за охладительный период [Вт/м²] — то же, что в формулах (1) и (2), находится интерполяцией из табл. 1 в [1]; Апол — полезная площадь помещений здания, м²; zох.п — длительность охладительного периода, zох.п = 148 суток; τ — рабочее время использования помещений в сутки (среднемесячное) — для офиса τ = 6 ч, находится из табл. 1 в [1]; tв.ох и tн.ох.приQох.оф=0 — то же, что в формуле (2); tн.ср.ох.п.раб — средняя температура наружного воздуха рабочего времени суток за охладительный период, tн.ср.ох.п.раб = 22,5°C.
в) Определение величин внешних теплопоступлений за охладительный период
Это теплопоступления в период стояния температур наружного воздуха выше расчётной внутренней температуры tв.ох = 24°C через наружные ограждения и с наружным приточным воздухом. В число дней, в которые будут иметь место эти теплопоступления, помимо 31 дня июля, войдут 12 дней июня со средней наружной температурой в рабочее время tн.ср.раб.июнь = 24,35°C и десять дней августа с tн.ср.раб.авг = 24,3°C, всего длительность климатического охладительного периода будет zклим.ох.п = 53 дня.
Поэтому количество градусо-суток климатического охладительного периода ГСОхПклим [°C·сут], в течение которых температура наружного воздуха рабочего времени суток превышает расчётную температуру воздуха в помещении, определяют по формуле:
ГСОхПклим = Σ[(tн.ср.клим.ох.п.раб.i — tв.ох)zклим.ох.п.i], (5)
где tн.ср.клим.ох.п.раб — средняя температура наружного воздуха рабочего времени суток, превышающая расчётную температуру воздуха в помещении, за каждый календарный месяц охладительного периода; tв.ох — расчётная внутренняя температура воздуха в периоде охлаждения, °C; zклим.ох.п — количество суток в каждый месяц охладительного периода, когда (tн.ср.клим.ох.п.раб — tв.ох) > 0, сут.:
ГСОхПклим = (24,35–24)×12 + (25,6–24)×31 + (24,3–24)×10 = 57°C·сут.
При определении теплопоступлений от превышения tн.ср.клим.ох.п.раб > tв.ох следует иметь в виду, что из этих суток принимается во внимание только рабочее время использования помещения в день (среднемесячное), обозначенное в табл. 1 в [1] символом «τ».
Теплопоступления через наружные ограждающие конструкции здания за климатический охладительный период
Qогр.ох.п.клим [ кВт·ч] определяют по формуле (6) для двух вариантов теплозащиты здания: базовый, характеризуемый величиной приведённого трансмиссионного коэффициента теплопередачи здания Kтрпр.баз = 0,514 Вт/( м²·°C), и повышенный на 15% — Kтрпр.пов = 0,407 Вт/( м²·°C):
Qогр.ох.п.клим = KтрпрАогр.сумГСОхПклимτ10–3; (6)
Qогр.баз.ох.п.клим = 0,514×2147×57×6×10–3 = 377 кВт·ч;
Qогр.пов.ох.п.клим = 0,407×2147×57×6×10–3 = 299 кВт·ч,
где Kтрпр и Аогр.сум — то же, что в формуле (1); ГСОхПклим — то же, что в формуле (5); τ — то же, что в формуле (4).
Теплопоступления с приточной вентиляцией за климатический охладительный период Qвент.ох.п.клим [ кВт·ч], когда температура наружного воздуха выше расчётной температуры воздуха в помещении, определяют по формуле (7):
Qвент.ох.п.клим = 0,28LвентρвcаГСОхПклимτ10–3; (7)
Qвент.ох.п.клим = 0,28×4960×1,2×1,0×57×6×10–3 = 570 кВт·ч,
где Lвент, ρв и cа — то же, что в формуле (1); ГСОхПклим — то же, что в формуле (5); τ — то же, что в формуле (4).
Итого внутренние теплопоступления и внешние через наружные ограждения и с приточным воздухом в периоды превышения температуры наружного воздуха над расчётной внутренней составят:
Qвн.ох.п + Qогр.ох.п.клим + Qвент.ох.п.клим или:
- при базовом варианте теплозащиты 17750 + 377 + 570 = 18120 кВт·ч;
- при повышенном варианте теплозащиты 17750 + 299 + 570 = 18040 кВт·ч.
Разница составляет (18120–18040)×100/18120 = 0,44%, причём это ещё без теплопоступлений от солнечной радиации. Это подтверждает, что повышение энергоэффективности зданий, несмотря на мнение некоторых специалистов, нисколько не влияет на затраты для его охлаждения.
Теплопоступления от солнечной радиации через светопрозрачные ограждающие конструкции за охладительный период Qинс.ох.п [ кВт·ч], которые условно устраняются локальными системами охлаждения, для всех фасадов зданий, ориентированных по разным направлениям, определяют по формуле:
Qинс.ох.п = [∑(ηок.iτок.ikок.iAок.iIi) + ∑(ηф.iτф.ikф.iAф.iIгор)]zраб/zох.п, (8)
где τок и τф, kок и kф — то же, что в формуле (19) стандарта СТО НОП 2.1–2014 [10]; Aок.i и Aф.i, Ii и Iгор — то же, что в формуле (19), Ii, Iгор принимают по СП 131.13330 [8]; η — коэффициент относительного проникания солнечной радиации через солнцезащитные устройства (при отсутствии данных допускается принимать по табл. 1); zраб — число рабочих дней в условном охладительном периоде [сут.] (принимается, что теплопоступления от солнечной радиации, имеющие место и в нерабочее время рабочих суток, также компенсируются энергией на охлаждение); zох.п — то же, что в формуле (4).
При помесячном расчёте интенсивность суммарной солнечной радиации принимают для каждого месяца поочерёдно.
Примечание: Интенсивность солнечной радиации, падающей на мансардные окна и световые фонари, расположенные под углом к горизонту, следует рассчитывать в зависимости от угла наклона пропорционально между интенсивностью на горизонтальную и соответствующую вертикальную поверхности.
Дополнительные теплопоступления за счёт повышения температуры наружной поверхности ограждений из-за облучения их солнцем. Это эквивалентное действию солнечной радиации среднее за сутки повышение температуры наружной поверхности ограждений ∆tд [°C] находится в [12] по следующей формуле:
∆tд = pqинс/αн, (9)
где p — коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью ограждения, зависит от материала конструкции ограждения из табл. 1.1 в [12], например, для рубероида покрытия p = 0,88; для керамогранита стен p = 0,65; для стекла p = 0,04; qинс — интенсивность падающей на ограждения солнечной радиации — среднесуточная при действительных условиях облачности за три летних месяца, Вт/м² [например, для условий Москвы (из табл. В. 13 Приложения В в [10]) суммарная солнечная радиация за июнь — август составляет:
- на горизонтальную поверхность — 173 + 163 + 132 = 468 кВт·ч/м²;
- на вертикальную северной ориентации — 42 + 42 + 35 = 119 кВт·ч/м²;
- на вертикальную восточной/западной ориентации — 86 + 82 + 68 = 236 кВт·ч/м²;
- на вертикальную южной ориентации — 81 + 80 + 81 = 242 кВт·ч/м²;
а средняя величина солнечной радиации за (30 + 31 + 31)×24 = 2208 часов летнего периода составит:
- 468×103/2208 = 212 Вт/м²;
- 119×103/2208 = 54 Вт/м²;
- 236×103/2208 = 107 Вт/м²;
- и 242×103/2208 = 110 Вт/м²];
αн — коэффициент теплообмена на наружной поверхности ограждения [Вт/( м²·°C)], в летний период определяемый по формуле из СП 50.13330 [11]:
αн = 1,16(5 + 10v0,5) = 1,16×(5 + 10×1,00,5) = 17,4 Вт/( м²·°C),
где v — минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль, принимаемая по СП 131.13330 [8], но не менее 1 м/с.
Решение приведённого выше уравнения (9) показывает, что среднесуточное повышение температуры на внешней поверхности покрытия здания за летний период составляет:
∆tд.покр = pqинс/αн = 0,88×212/17,4 = 10,7°C;
- то же стен северной ориентации:
∆tд.ст.сев = 0,65×54/17,4 = 2,0°C;
- то же стен ориентации восток/запад:
∆tд.ст.в/з = 0,65×107/17,4 = 4,0°C;
- то же стен южной ориентации:
∆tд.ст.юг = 0,65×110/17,4 = 4,1°C;
- то же окон северной ориентации:
∆tд.ок.сев = 0,04×54/17,4 = 0,12°C;
- то же окон ориентации восток/запад:
∆tд.ок.в/з = 0,04×107/17,4 = 0,24°C;
- то же окон южной ориентации:
∆tд.ок.юг = 0,04×110/17,4 = 0,25°C.
Очевидно, что дополнительными теплопоступлениями через окна из-за облучения их солнцем за малостью повышения температуры можно пренебречь, а теплопоступления через покрытие площадью Апокр = 415 м² (приведённое сопротивление теплопередаче Rрпокр = 4,12 м²·°C/Вт) и стены (Rрст = 3,08 м²·°C/Вт), ориентированные на север и юг площадью по 402 м², восток и запад — 134 м², с учётом рабочего времени использования в день (см. табл. 1 [1]) τ = 6 ч составят:
∆Qпокр = ∆tд.покр(Апокр/Rрпокр)×(30 + 31 + 31)τ/103 = 10,7×(415/4,12)×(30 + 31 + 31)×6/103 = 595 кВт·ч;
∆Qст.сев = 2,0×(402/3,08)×(30 + 31 + 31)×6/103 = 144 кВт·ч;
∆Qст.(в+з) = 4,0×(134/3,08)×(30 + 31 + 31)×6×2/103 = 192 кВт·ч;
∆Qст.юг = 4,1×(402/3,08)×92×6/103 = 295 кВт·ч.
Всего дополнительные теплопоступления от инсоляции через покрытие и стены:
∆Qпокр+ст = 595 + 144 + 192 + 295 = 1226 кВт·ч.
Итого все теплопоступления в охладительный период, за исключением солнечной радиации, поступающей непосредственно через светопрозрачные проёмы, составят величину:
Qох.п.безинс = 17750 + 377 + 570 + 1226 = 19350 кВт·ч.
Количество теплопритоков с солнечной радиацией за охладительный период Qинс.ох.п [ кВт·ч], поступающих через светопрозрачные проёмы для всех фасадов зданий, ориентированных по разным направлениям, следует определять по формуле (19) раздела 8 в [10] с использованием климатических данных региона.
Для рассматриваемого примера с площадью оконных проёмов, ориентированных на север, — 80 м², восток — 35 м², юг — 85 м², запад — 35 м², и средней интенсивностью солнечной радиации при действительных условиях облачности, характерной для московского региона (из табл. В. 13 Приложения В в [10]), за май — сентябрь плюс 13 дней апреля и семь дней октября количество теплопритоков будет, соответственно: 183 + 17, 359 + 27, 391 + 39 и 359 + 27 кВт·ч/м², а количество теплопоступлений с солнечной радиацией, с учётом zраб = 123 рабочих дней (при пятидневной рабочей неделе) в 173* днях тёплого периода года и применения окон с эмиссионным покрытием стекла (τок = 0,8; kок = 0,54) и без солнцезащитных устройств, составит:
Qинс.ох.п = [(183 + 17)×80 + (359 + 27)×35 + (391 + 39)×85 + (359 + 27)×35]×0,8×0,54×123/173 = 24440 кВт·ч.
* Период учёта действия солнечной радиации при определении количества теплопритоков для оценки затрат холода на охлаждение помещений расширен до 173 суток по сравнению с длительностью условного охладительного периода при определении внутренних теплопритоков zох.п = 148 суток, потому что притоки от солнечной радиации выше внутренних теплопритоков.
Годовые затраты холода на охлаждение помещений здания офиса будут:
Qох.п = Qох.п.безинс + Qинс.ох.п = 19350 + 24440 = 43790 кВт·ч,
а удельные годовые затраты холода на охлаждение на 1 м² полезной площади помещений (Апол = 1243 м²) составят:
qох.п.оф = 43790/1243 = 35,2 кВт·ч/м².
Приведённая методика расчёта начала и длительности охладительного периода для общественных зданий справедлива и для жилых домов. С учётом полученных в табл. 1 [1] удельных величин внутренних теплопоступлений и заданной интенсивности солнечной радиации при действительных условиях облачности, она позволяет оценить годовую потребность зданий в холоде, чтобы определить суммарные удельные годовые затраты энергии на них и установить класс энергетической эффективности здания.
Определение годового расхода холода на охлаждение многоквартирных домов
а) Уточнение метеорологических параметров периода охлаждения
После установления удельной величины внутренних теплопоступлений, в зависимости от плотности заселения квартир, для определения годового расхода холода на охлаждение и вентиляцию необходимо знать теплотехнические и геометрические параметры объекта исследования на примере двух квартир широтной ориентации для условий города Москвы: с 20 м² общей площади квартир на человека (Акв-1 = 60 м²; Аж-1 = 33 м²; Аф-1 = 27 м²; Аок-1 = 9,3 м²) и 40 м² на человека (Акв-2 = 120 м²; Аж-2 = 66 м²; Аф-2 = 54 м²; Аок-2 = 16,5 м²). Приведённое сопротивление теплопередаче стен одинаковое для обеих квартир Rст = 3,6 м²·°C/Вт, окон — Rок = 0,8 м²·°C/Вт. Нормативный воздухообмен в первой квартире принимается исходя из 30 м³/ч на человека: 30×3 = 90 м³/ч, второй — из 0,35 обмена в час от объёма помещений квартиры: 0,35×120×2,7 = 113,4 м³/ч (из 30 м³/ч на человека оказалось меньше — 90 м³/ч).
Удельные теплопотери q(огр+вент) [Вт/°C] через наружные ограждения и с вентиляционным воздухообменом, отнесённые к 1°C, из решения части формулы (1):
q(огр+вент) = (Аф — Аок)/Rст + Аок/Rок + 0,28Lвентρвcа, (1а)
тогда для двух вариантов заселения квартир удельные теплопотери составят:
q(огр+вент)ж20 = (27–9,3)/3,6 + 9,3/0,8 + 0,28×90×1,2×1,0 = 46,8 Вт/°C,
q(огр+вент)ж40 = (54–16,5)/3,6 + 16,5/0,8 + 0,28×113,4×1,2×1,0 = 69,15 Вт/°C.
Как и в предыдущем примере общественного здания, для жилого дома температура наружного воздуха начала/окончания охладительного периода соответствует такой величине tн.ох.приQох.ж=0, при которой теплопотери через наружные ограждения вместе с нагревом наружного воздуха для вентиляции до внутренней расчётной температуры для охладительного периода tв.ох будут равны внутренним теплопоступлениям этого периода. По формуле (2а) эта температура равна:
tн.ох.приQох.ж=0 = tв.ох — qвн.охАж/q(огр+вент); (2а)
tн.ох.приQох.ж=0при20 = 24–14,5×33/46,8 = 24–10,2 = 13,8°C;
tн.ох.приQох.ж=0при40 = 24–8,8×66/69,15 = 24–8,4 = 15,6°C.
Поскольку доля внутренних теплопоступлений по отношению к теплопотерям при заселённости в 20 м² на человека выше, чем при заселённости в 40 м² на человека (10,2 > 8,4), начало охладительного периода наступает раньше в домах с более плотной заселённостью. Но, с другой стороны, такие дома — муниципальные, а дома с меньшей плотностью заселения, как правило, коммерческие, поэтому их застройщик располагает бóльшими инвестициями для реализации систем кондиционирования воздуха в таких домах. Поэтому длительность охладительного периода будем оценивать для домов с заселённостью в 40 м² на человека и для периода, начинающегося с наружной температуры tн.ох.приQох.ж=0 = 15°C.
Как сказано выше, в центральном регионе России, где расположена Москва, среднемесячные температуры наружного воздуха в самые жаркие летние месяцы не превышают 18,7°C, что свидетельствует о довольно низких ночных температурах, не требующих охлаждения, поэтому целесообразно, как и при расчёте офисных зданий, вычислять длительность стояния средних температур наружного воздуха в течение дневного времени стояния наиболее высоких температур наружного воздуха, соответствующих и максимальным значениям солнечной радиации с 08:00 до 17:00.
Тогда из предыдущего примера расчёта офисного здания можно принять следующие метеорологические параметры: условный охладительный период по числу дней со средней температурой наружного воздуха в рабочее время выше 15°C, когда внутренние теплопоступления будут превышать теплопотери, остаётся zох.п = 148 дня с 1 мая по 25 сентября. Средняя наружная температура этого охладительного периода находится как среднее арифметическое значение:
tн.ср.ох.п = [31×19,9 + 30×23,8 + 31×25,6 + 31×23,7 + 25×18,74]/148 = 22,5°C.
б) Определение внутренних теплопоступлений за охладительный период
При определении потребности в охлаждении внутренние теплопоступления за условный охладительный период Qвн.ох.п [ кВт·ч] принимаются с учётом того, что при температурах наружного воздуха ниже расчётной внутренней температуры tв.ох = 24°C они будут частично компенсировать теплопотери через наружные ограждения. Поэтому они должны быть снижены пропорционально отношению разности внутренней температуры и средней наружной за охладительный период tн.ср.ох.п.раб к разности температур (tв.ох — tн.ох.приQох.ж=0) — по аналогии с расчётом для офиса:
Qвн.ох.п = qвн.ох.жАжzох.пτ10–3[1 — (tв.ох — tн.ср.ох.п.раб)/(tв.ох — tн.ох.приQох.ж=0)]; (4а)
Qвн.ох.п = 8,8×66×148×9×10–3×[1 — (24–22,5)/(24–15)] = 645 кВт·ч.
где qвн.ох.ж — удельная величина внутренних теплопоступлений за охладительный период [Вт/м²], из формулы (1а) [1]; Аж — жилая площадь квартир, м²; zох.п — длительность условного охладительного периода, zох.п = 148 суток; τ — то же, что в формуле (4), но сохраняя девятичасовой период стояния повышенной дневной температуры, как и для офисов, однако для МКД без выходных, τ = 9 ч (из формулы (1а) [1] с учётом [13]); tв.ох и tн.ох.приQох.ж=0 — то же, что в формуле (2а); tн.ср.ох.п.раб — средняя температура наружного воздуха рабочего времени суток за охладительный период, принимаем tн.ср.ох.п.раб = 22,5°C.
в) Определение величин внешних теплопоступлений за охладительный период
Qвн.ох.п = 645 кВт·ч — это величина бытовых (внутренних) теплопоступлений, компенсируемая системой охлаждения в течение условного охладительного периода zох.п = 148 суток. Но есть ещё теплопоступления в период стояния температур наружного воздуха выше расчётной внутренней температуры tв.ох = 24°C через наружные ограждения и с наружным приточным воздухом.
В число дней, в которые будут иметь место эти теплопоступления, помимо всех 31 дня июля войдут 12 дней июня со средней температурой в рабочее время tн.ср.раб.июнь = 24,35°C и десять дней августа с tн.ср.раб.авг = 24,3°C, всего длительность климатического охладительного периода будет zклим.ох.п = 53 дня. Поэтому градусо-сутки климатического охладительного периода будут определяться как:
ГСОхПклим = (24,35–24)×12 + (25,6–24)×31 + (24,3–24)×10 = 57°C·сут. (5а)
При определении теплопоступлений от превышения tн.ср.клим.ох.п.раб > tв.ох следует иметь в виду, что из этих суток принимаются только рабочее время использования помещения в день (среднемесячное), обозначенное в табл. 1 символом «τ», но в условиях климата Москвы летом в дневное время за пределами принятого девятичасового диапазона температуры наружного воздуха в средний день месяца ниже tв.ох = 24°C, поэтому для жилых зданий τ = 9 ч (для других регионов подлежит уточнению).
Теплопоступления через наружные ограждающие конструкции здания за климатический охладительный период Qогр.ох.п.клим [ кВт·ч] определяют по формуле (6) для повышенного варианта теплозащиты здания, характеризуемый приведённым трансмиссионным коэффициентом теплопередачи квартиры типового рядового этажа:
Kтрпр.пов = [(54–16,5)/3,6 + 16,5/0,8]/54 = 0,575 Вт/( м²·°C);
Qогр.ох.п.клим = KтрпрАогр.сумГСОхПклимτ10–3; (6а)
Qогр.пов.ох.п.клим = 0,575×54×57×9×10–3 = 15,9 кВт·ч,
где Kтрпр и Аогр.сум — то же, что в формуле (1); ГСОхПклим — то же, что в формуле (5а); τ — то же, что в формуле (4), но для жилых зданий τ = 9 ч.
Теплопоступления с приточной вентиляцией, связанные с тем, что температура наружного воздуха выше расчётной температуры воздуха в помещении, за климатический охладительный период определяют по формуле:
Qвент.ох.п.клим = 0,28LвентρвcаГСОхПклимτ10–3; (7а)
Qвент.ох.п.клим = 0,28×113,4×1,2×1,0×57×9×10–3 = 19,5 кВт·ч, где Lвент, ρв и cа — то же, что в формуле (1а); ГСОхПклим — то же, что в формуле (5а); τ — то же, что в формуле (4), но для жилых зданий τ = 9 ч.
Итого внутренние теплопоступления и внешние через наружные ограждения и с приточным воздухом в периоды превышения температуры наружного воздуха над расчётной внутренней составят:
Qвн.ох.п + Qогр.ох.п.клим + Qвент.ох.п.клим или 645 + 15,9 + 19,5 = 680 кВт·ч.
Дополнительные теплопоступления за счёт повышения температуры наружной поверхности ограждений из-за облучения их солнцем. По аналогии с расчётами офисного здания и с учётом рекомендаций в [12] среднесуточное повышение температуры на внешней поверхности стен квартиры за летний период составляет: южной ориентации ∆tд.ст.юг = 4,1°C; ориентации восток/запад ∆tд.ст.в/з = 4,0°C; северной ориентации ∆tд.ст.сев = 2,0°C. Дополнительными теплопоступлениями через окна из-за облучения их солнцем за малостью повышения температуры можно пренебречь. Тогда дополнительные теплопоступления при меридиональном и широтном расположении здания:
∆Qст.(в+з)/2 = 4,0×(54–16,5)/3,6×92×9/103 = 34,5 кВт·ч;
∆Qст.(юг+сев.)/2 = (4,1 + 2,0)/2×(54–16,5)/3,6×92×9/103 = 26,3 кВт·ч.
Теплопоступления от солнечной радиации Qинс.ох.п [ кВт·ч], поступающие через светопрозрачные проёмы для всех фасадов здания, ориентированных по разным направлениям, которые следует определять по формуле (19) раздела 8 в [10] при средней интенсивности солнечной радиации и действительных условиях облачности, характерной для московского региона, за май — сентябрь плюс 13 дней апреля и семь дней октября (всего 173 дня), и применения окон с эмиссионным покрытием стекла (τок = 0,8; kок = 0,54) и без солнцезащитных устройств по аналогии с офисными зданиями, при меридиональном и широтном расположении здания составят, соответственно:
Qинс.ж.ох.п.(в+з)/2 = (359 + 27)×16,5×0,8×0,54 = 2750 кВт·ч;
Qинс.ж.ох.п.(юг+сев)/2 = [(391 + 39) + (183 + 17)]/2×16,5×0,8×0,54 = 2245 кВт·ч.
Годовые затраты холода на охлаждение помещений квартир, ориентированных на восток/запад и юг/север, приведённые к затратам на одну квартиру:
Qж.ох.п.(в+з)/2 = Qох.п.безинс + ∆Qст + Qинс.ох.п = 680 + 34,5 + 2750 = 3465 кВт·ч;
Qж.ох.п.(юг+сев)/2 = Qох.п.безинс + ∆Qст + Qинс.ох.п = 680 + 26,3 + 2245 = 2950 кВт·ч,
а удельные годовые затраты холода на охлаждение на 1 м² площади квартир (Акв = 120 м²), соответственно, будут:
qох.п.(в+з)/2 = 3465/120 = 28,9 кВт·ч/м²;
qох.п.(юг+сев)/2 = 2950/120 = 24,6 кВт·ч/м².
Выводы
Для более полной оценки энергоэффективности зданий предложена методика с примерами расчёта годовых затрат холода на охлаждение помещений жилых и общественных зданий при использовании рекомендованного в ISO 13790:2008 (Е) [7] «метода квазистационарного состояния, который позволяет в расчётах энергопотребления зданием за длительный период (обычно, месяц или сезон) учесть динамические эффекты за счёт выведенного эмпирическим путём показателя использования притоков или потерь».
В наших расчётах из-за отсутствия достаточного практического опыта этот коэффициент пока принят равным 1,0, и есть основания полагать, что рассчитанная по данной методике величина удельного годового расхода холода будет максимальной, поскольку её уточнение с использованием динамических характеристик только понизит её значение. Применение данной методики стало возможным после уточнения в [1] величин внутренних теплопоступлений для зданий различного назначения в части разделения их для отопительного периода и периода охлаждения.
Подтверждено, в частности, для условий города Москвы, что удельные годовые затраты холода в летний период на охлаждение помещений квартир, отнесённые к 1 м² площади квартир МКД широтной ориентации [qох.п.(юг+сев)/2 = 24,6 кВт·ч/м²], значительно меньше аналогичных затрат на охлаждение помещений офисов такой же ориентации (qох.п.оф = 35,2 кВт·ч/м²), что послужило причиной более широкого применения в жилых зданиях при эксплуатации квартирных рециркуляционных воздухоохладителей, а в зданиях общественного назначения на стадии проектирования — прямоточных систем кондиционирования воздуха.
