Определение параметров охладительного периода

Особую актуальность вопрос предварительного расчета энергопотребления приобретает в настоящее время в с_вязи с принятием Закона РФ «Об энергосбережении...» № 261-ФЗ [1], а также с учетом развивающегося сейчас глобального потепления. В то же время имеющиеся в нормативных и справочных документах данные по параметрам наружного климата требуют достаточно сложных вычислений для достижения необходимой точности, что неприемлемо в практике массового проектирования с учетом ограниченных сроков работ.

В ходе решения этой проблемы ранее уже проводились определенные исследования. Так, в публикациях [2, 3] были приведены результаты обработки первичной климатической информации и получена модель климата, предназначенная для анализа режимов работы систем кондиционирования воздуха, работающих в различное время суток. Однако на основе этой модели можно достаточно детально анализировать энергопотребление, но очень затруднительно получить более точные параметры наружного воздуха с заданной обеспеченностью для инженерных расчетов.

Поэтому представляется целесообразным дальнейшее изучение данного вопроса и решение следующих первоочередных задач: исследование вероятностно-статистических закономерностей соотношения параметров наружного климата в различных районах РФ; вычисление расчетного показателя для оценки затрат холода на обработку притока в теплый период года — градусосуток охладительного периода D_d^x — для различных районов строительства в пределах РФ; анализ полученных результатов для установления вероятностно-статистической с_вязи значений D_d^x с другими климатическими факторами.

Для исследования закономерностей соотношения климатических параметров для нескольких городов РФ были построены климатические кривые, соединяющие точки на i—d-диаграмме с наиболее вероятным сочетанием температуры наружного воздуха t_н [°С], и его относительной влажности ϕ_н [%] [4]. Для каждого района такая кривая проходит от точки, изображающей параметры «Б» для холодного периода года, до точки с параметрами «Б» в теплый период по данным [5]. Значения t_н, ϕ_н и повторяемости их сочетаний здесь были взяты из [6]. Первоначально по этим с_ведениям строилась соответствующая диаграмма t_н—ϕ_н [4], после чего на нее наносилась климатическая кривая. Пример такой диаграммы для климатических условий города Москвы показан на рис. 1. Затем кривая переносилась уже на i—d-диаграмму для дальнейших построений. Аналогичным образом эта задача была решена и для других населенных пунктов (Екатеринбург, Ростов-на-Дону, Самара, Санкт-Петербург, Томск).

Далее на i—d-диаграмме для этих же шести городов с учетом их климатических особенностей были изображены процессы обработки воздуха при его кондиционировании. Так как в теплый период в общем случае может потребоваться охлаждение с осушкой, для расчета затрат холода необходимы данные не только по температуре, но и по энтальпии наружного воздуха. Именно для этого мы и переносим нашу климатическую кривую на i—d-диаграмму с уже построенными на ней процессами обработки притока. На рис. 2 показано изменение процесса обработки воздуха в течение охладительного периода, то есть периода, когда текущая наружная температура превышает необходимую температуру притока, то есть t_нi > t_п^ʹ .

Здесь точки Нi соответствуют текущему состоянию наружного воздуха. Они располагаются вдоль климатической кривой и, таким образом, с изменением t_нi меняется и их влагосодержание. Линия П—В—У изображает процесс изменения состояния воздуха в кондиционируемом помещении в расчетном летнем режиме, то есть когда точка Н совпадает с НБ. Точка состояния внутреннего воздуха В при этом фиксируется, исходя из оптимального сочетания температуры t_в = +24 °C (средняя из оптимальных в теплый период по [7]) и относительной влажности ϕ_в = 60 % (максимальная из оптимальных по [7] из условия минимизации затрат холода). Тогда требуемое состояние притока П получается по построению процесса изменения состояния воздуха в кондиционируемом помещении, исходя из соотношения теплои влагоизбытков, определяющего угловой коэффициент ε_пом [кДж/кг] луча процесса П—В—У. В промежуточных режимах, пока влагосодержание Нi больше, чем исходное в точке П (на рис. 2 — для i от 1 до 4), охлаждение будет осуществляться с осушкой, а точка П будет фиксированной. Когда же текущее влагосодержание Нi становится меньше исходного в точке П (на рис. 2 для i = 5 и 6), охлаждение становится «сухим», а фактическое положение точки П смещается вдоль линии t_п = const влево вслед за Нi. Следует только иметь ввиду, что для учета последующего подогрева в вентиляторе реальный процесс охлаждения должен продолжаться за точку П до линии t_п^ʹ = const, где t_п^ʹ = t_п — (0,5...1°).

Дальнейшие расчеты проводились в следующем порядке. Годовой расход холода Q_x.год [МДж/г] можно представить в виде выражения [4]:

где G_п — расход приточного воздуха, кг/ч; с_в = 1,005 кДж/(кг⋅К) — удельная теплоемкость воздуха; zi — число часов стояния наружной температуры в интервале от t_нi до (t_нi + 1), определяемое по климатическим данным [6]; t_нi — текущая температура наружного воздуха, °С; t_п^ʹ — требуемая температура охлажденного воздуха перед вентилятором, °С.

С другой стороны, можно записать следующую формулу:

где z_p — число часов в сутки, когда вентиляционное оборудование работает, в среднем за неделю; D_d x — градусо-сутки охладительного периода, К⋅сут.

Теперь приравниваем уравнения (1) и (2) и выражаем величину D_d^x, откуда получаем следующее:

Аналогичным образом при расчете по полной теплоте находим:

где I_нi, I_п^ʹ — величины текущих энтальпий наружного и охлажденного воздуха, соответственно.

Заметим при этом, что, хотя в [6] приведены данные, основанные на круглосуточных наблюдениях температуры, все же для охладительного периода, в отличие от отопительного, корректировку этих значений для рабочего времени проводить не нужно, так как практически во всех случаях условие t_нi > t_п^ʹ выполняется только в течение z_p.

Неоднозначность в продолжительности рабочего времени можно устранить тем, что следует всегда принимать одну и ту же величину z_p, например, 24 часа, как это фактически было сделано в расчетах. Дело в том, что в соответствии с формулой (2) основной физический смысл имеет произведение D_d^x и z_p, поэтому для правильной оценки суммарных затрат холода достаточно всякий раз использовать то же самое значение z_p^ʹ , к которому был отнесен параметр D_d^x. Это с_вязано именно с тем обстоятельством, что необходимость охлаждения притока имеет место практически только в рабочее время, из-за чего добавление ночных периодов на общий расход холода не влияет.

Далее с использованием выражений (3) и (3а) и построенных климатических кривых были проведены расчеты по определению D_d^x для перечисленных городов России. Для ускорения и упрощения вычислений, с_вязанных с обработкой большого массива данных, была разработана программа для ЭВМ на алгоритмическом языке Fortran. По результатам расчетов были построены зависимости значений D_d^x от принятой величины t_п^ʹ для каждого рассмотренного города. Пример такой зависимости для Москвы приведен на рис. 3. Легко увидеть, что обнаруживаемая регрессия близка к линейной, причем аналогичный вид она имеет и для других городов. Для Москвы ее можно описать простейшей формулой D_d^x = 18(29 — t_п^ʹ ).

Коэффициент корреляции r при этом достигает 0,999, поэтому данная аппроксимация очень хорошо описывает реальную с_вязь D_d^x и t_п^ʹ . В общем виде соответствующее уравнение регрессии будет иметь вид:

По с_воему физическому смыслу t_max представляет собой максимальный уровень t_п^ʹ , при котором не требуется специального охлаждения притока, поскольку текущие значения t_нi практически всегда будут ниже, чем t_п^ʹ, с обеспеченностью, близкой к 1. Тогда охладительный период как таковой уже отсутствует. Что же касается параметра А, сопоставление формулы (4) с определением обычной величины градусо-суток отопительного периода D_d показывает, что формально А соответствует продолжительности охладительного периода z_охл [сут.]. Заметим, что рис. 3 с_видетельствует о практическом отсутствии влияния t_п^ʹ на А. По-видимому, это с_вязано с тем же обстоятельством, а именно что необходимость охлаждения притока имеет место в основном в рабочее время, вследствие чего от t_п^ʹ будет зависеть исключительно текущая разность температур (t_нi — t_п^ʹ ).

Путем обработки данных для всех исследованных населенных пунктов для коэффициентов А и t_max можно получить следующие зависимости, представленные на рис. 4. В качестве основного параметра при этом была принята температура наружного воздуха по параметрам «Б» (t_нБ) в теплый период по данным [5].

Нетрудно убедиться, что уравнение регрессии для коэффициента А:

Коэффициент корреляции здесь равен 0,98, поэтому данная аппроксимация тоже является практически достоверной. Уравнение для t_max имеет вид:

В данном случае коэффициент корреляции несколько ниже и составляет примерно 0,9, но это все же достаточно большая величина, поэтому формула (6) также является достаточно удачным приближением реального соотношения между t_max и t_нБ.

Таким образом, мы получили методику вычисления основной характеристики охладительного периода — его градусосуток D_d^x — и способ ее использования для оценки затрат холода на обработку приточного воздуха в системах его кондиционирования в теплый период года. Методика имеет простой и инженерный вид и может быть реализована в практике массового проектирования.