Задачи обработки климатологической информации

Расчётные параметры наружной среды играют огромную технологическую и экономическую роль при проектировании систем поддержания заданного теплового микроклимата помещений, поскольку от них зависит установочная мощность систем, их размер, место в здании, занимаемое этими системами.

Ещё в 1970-е годы д.т.н., профессор Московского государственного строительного университета В. Н. Богословский предложил [1] связать коэффициентом обеспеченности Коб вероятность расчётных параметров наружной среды с вероятностью поддержания внутренних условий. Чуть позже специалисты по системам кондиционирования воздуха (СКВ) задались целью определить расчётное сочетание температуры и энтальпии наружного воздуха, соответствующее определённой обеспеченности внутренних условий [2, 3]. Ввиду своей сложности задача свелась к выбору расчётных наружных условий с заданным коэффициентом обеспеченности. При этом имелось в виду, что учёт вероятности появления какого-либо параметра наружной среды напрямую приведёт к необходимой вероятности поддержания того же параметра во внутренней среде, хотя очевидно, что разные параметры по-разному влияют на микроклимат помещения.

При вентиляции и кондиционировании воздуха аппараты обработки призваны:

  • обеспечить расход и кондиции приточного воздуха для снятия теплои влагопоступлений в помещение, при этом на теплопоступления в помещение, связанные с наружной средой, влияют температура наружного воздуха и интенсивность солнечной радиации;
  • покрыть затраты теплоты, холода и воды на собственно обработку приточного воздуха и доведение его состояния до нужных кондиций — эти затраты зависят от энтальпии наружного воздуха, формирующейся в зависимости от температуры и влагосодержания воздуха.

Обеспеченность процесса под влиянием нескольких независимых параметров равна произведению обеспеченности каждого из них. Однако температуру и влажность воздуха, а, следовательно, и энтальпию нельзя считать независимыми. Поэтому их обеспеченность будем рассматривать пока совместно:

Kоб(t, I, Q) = Kоб(t, I)Kоб(Q), (1)

где Kоб(t, I, Q) — коэффициент обеспеченности совместного наблюдения температуры, энтальпии наружного воздуха и суммарной солнечной радиации; Kоб(t, I) — коэффициент обеспеченности совместного наблюдения температуры и энтальпии наружного воздуха; Kоб(Q) — коэффициент обеспеченности суммарной солнечной радиации.

Так как в расчёт обычно принимают максимальную солнечную радиацию при безоблачном небе, то есть при обеспеченности Kоб(Q) = 1, то остаётся выяснить, какие значения температуры и энтальпии наружного воздуха следует принять в качестве расчётного.

 

Методика, принятая в нормативах Российской Федерации

При нормировании расчётных параметров для тёплого периода года в Своде Правил (СП) 131.13330.2012 [4] оба составляющих процесса формирования нагрузки на аппараты кондиционирования воздуха считаются безынерционными. То есть обработка климатологических элементов ведётся безотносительно времени суток, в которое наблюдалось то или другое значение этого параметра наружного воздуха. В то же время энергетическая нагрузка помещения на СКВ и вытекающие из её величины расход и кондиции приточного воздуха с одной стороны, а также потребность в энергии на обработку наружного воздуха, с другой, должны определяться при одном и том же значении температуры наружного воздуха.

Требование абсолютно справедливое, но трудновыполнимое, так как выбор в качестве расчётного для обоих процессов такого значения температуры наружного воздуха, которое приводило бы к заданной обеспеченности внутренних условий, должен опираться не только на расчёт нагрузки при обработке воздуха, но и на расчёт теплопоступлений через ограждающие конструкции.

Учитывая, что расход воздуха, обрабатываемого в СКВ, зависит не только от теплопоступлений через наружные ограждающие конструкции, но и от тепловыделений внутренних источников, а также от солнечной радиации, проникающей через окна, в каждом здании долевое участие нагрузок от помещения и от аппаратов обработки воздуха разное. Поэтому, строго говоря, такой единой температуры просто нет.

В настоящее время в большинстве проектируемых объектов, требующих кондиционирования воздуха, внутренние тепловыделения, не связанные с изменениями температуры наружного воздуха, составляют большую часть расчётной нагрузки. Кроме того, на большей части территории России климат таков, что продолжительность наблюдения температуры наружного воздуха выше поддерживаемых оптимальных или допустимых значений температуры внутреннего воздуха и величина превышения наружной температуры над внутренней в период снятия теплоизбытков в помещении относительно незначительны. Принимая во внимание эти обстоятельства, в РФ принят общий подход к выбору расчётной точки Н с расчётными значениями температуры tн и энтальпии Iн наружного воздуха, которые принимаются так, что обеспеченность наблюдения каждого из них Коб(t) и Коб(I) не зависит от обеспеченности друг друга и равна требуемой обеспеченности Коб.

К этому подходу выбора расчётных значений температуры и энтальпии наружного воздуха у большинства специалистов претензий нет. Выдвигаются претензии к способу задания расчётной энтальпии тёплого периода года с помощью карты, делающей совершенно невозможным снятие значения энтальпии с требуемой точностью. Дело в том, что расчётная нагрузка на холодильные машины и аппараты кондиционеров, а, следовательно, и их размер сильно зависят от расчётного значения энтальпии.

Это значение желательно задавать с точность до 0,5 кДж/кг, реализуемой только при табличном представлении.

 

Методика, принятая в нормативах Вьетнама

В нормативных документах Социалистической Республики Вьетнам [5] профессором Чан Нгок Тьян’ом разработана методика [6] обработки температуры и энтальпии наружного воздуха по совместной обеспеченности обоих параметров. Приятно отметить, что профессор кафедры «Микроклимат и строительная среда» Ханойского инженерно-строительного университета Чан Нгок Тьян в 1967 году окончил факультет Теплогазоснабжения и вентиляции МИСИ им. В. В. Куйбышева, а в 1970 году успешно защитил кандидатскую диссертацию под руководством д.т.н., профессора А. В. Нестеренко по кафедре отопления и вентиляции.

Целью разработки методики по совместной обеспеченности параметров является нахождение такой расчётной точки Нр, при которой зона обеспеченности наблюдения обоих параметров была бы равна требуемой. Коэффициент обеспеченности двух зависимых параметров можно выразить формулой:

Kоб(t, I) = Kоб(t)Kоб(I/t) = Kоб(I)Kоб(t/I), (2)

где Kоб(I/t) — коэффициент обеспеченности энтальпии наружного воздуха при определённом значении температуры; Kоб(t/I) — коэффициент обеспеченности температуры наружного воздуха при определённом значении энтальпии.

Ход нахождения расчётного сочетания tНр и IНр, имеющего обеспеченность Kоб(t, I), следующий.

Обеспеченность энтальпии Коб(I/tн) в точке НI пересечения линия tн = const и правой границы области сочетаний параметров (рис. 1) равна 1, то есть обеспеченности максимально возможной энтальпии при температуре, соответствующей заданной обеспеченности. Поэтому точка НI отвечает заданным условиям определения tНр и IНр, так как в ней совместная обеспеченность температуры и энтальпии соответствует заданной.

Обеспеченность температуры Kоб(t/Iн) в точке Нt пересечения линия Iн = const и левой границы области сочетаний параметров равна 1, то есть обеспеченности максимально возможной температуры при энтальпии, соответствующей заданной обеспеченности. Следовательно, точка Нt тоже отвечает заданным условиям определения tНр и IНр. Однако обе точки Нt и НI не удобны для рассмотрения их в качестве расчётных из-за обусловленности параметров в них максимальностью своего значения при заданной обеспеченности другого параметра.

Необходимо на i–d-диаграмме построить соединяющую точки Нt и НI линию, являющуюся геометрическим местом точек термодинамического состояния воздуха, значения параметров которого tНр и IНр отвечают требуемой обеспеченности Kоб(t, I). Для этого следует, воспользовавшись выражением (2), выразить Kоб(t, I) произведением двух чисел. Затем построить изотерму с обеспеченностью Kоб(t), равной одному сомножителю, и найти на ней точку, отвечающую обеспеченности энтальпии при данной температуре Kоб(I/t), равной второму сомножителю. Такую операцию можно выполнить, построив изоэнтальпу с обеспеченностью Kоб(I), равной одному сомножителю, и найти на ней точку, отвечающую обеспеченности температуры при данной энтальпии Kоб(t/I), равной второму сомножителю. Однако строить всю линию не требуется. В качестве расчётной точки Нр в методике [6] принята точка при средней для точек Нt и НI температуре: tНр = (tНt + tНI)/2. Затем следует провести изотерму tНр, определить обеспеченность этой температуры Kоб(t) путём обработки первичных метеоданных, вычислить требуемую обеспеченность энтальпии при температуре tНр: Kоб(I/t) = Kоб(t/I)/Kоб(t), из первичных метеоданных найти значение энтальпии, соответствующей полученной обеспеченности (рис. 1).

Точка Нр всегда лежит выше точки Н, что означает tНр > tн, и IНр > Iн, потому что точка Н образует зоны необеспеченности продолжительностью, относящиеся к каждому из двух параметров, а точка Нр образует суммарную для обоих параметров зону необеспеченности той же продолжительности.

 

Результаты обработки температуры и энтальпии наружного воздуха по заданной обеспеченности

По приведённым выше методикам были определены расчётные значения температуры и энтальпии наружного воздуха, отвечающие различной обеспеченности своего появления от общего числа часов в году по средним многолетним данным для двух городов: Москвы и Ханоя. Для этого были обработаны данные метеостанции, находящей на территории ВДНХ, за 1984–2011 годы и метеостанции Ханоя за 2005–2014 годы. Результаты обработки представлены в табл. 1.

 

Выводы

1. Расчётные значения температуры и энтальпии, полученные по различным методикам обработки метеорологических данных, по-разному оценивают обеспеченность процесса кондиционирования воздуха. Обеспеченность температуры из российской методики соответствует обеспеченности расчётного расхода приточного воздуха, а обеспеченность энтальпии — обеспеченности холодопроизводительности воздухоохладителя. Обеспеченность значений тех же параметров из вьетнамской методики соответствует обеспеченности полного процесса кондиционирования воздуха, начиная с формирования нагрузки. Однако вьетнамская методика значительно сложнее для массовой обработки. Но понимание того, как соотносятся расчётные значения параметров наружной среды, полученные при разном подходе к обеспеченности, полезно.

2. Расчётная температура наружного воздуха, полученная по российской методике, полностью отвечает задачам вентиляции (без охлаждения и осушения наружного воздуха) в тёплый период года, а полученная по вьетнамской методике, в этом случае завышена.

3. В своде правил по строительной климатологии необходимо задавать энтальпию наружного воздуха по параметрам А и Б в табличной форме.

4. Выполненный выбор расчётных значений температуры и энтальпии наружного воздуха осуществлялся на основе средних за последние годы продолжительностей наблюдения параметров. Однако в отдельные годы продолжительности необеспеченности выбранных значений параметров могут заметно отличаться от указанных в табл. 1. Следует оценить эти возможные отклонения.