Энергетические возможности наружного климата

Ю. А. Табунщиков, докт. техн. наук, президент НП «АВОК»,

Б. Л.  Акопов, канд. техн. наук, заместитель директора ОАО «Инсолар-инвест»

Потенциальная энергетическая возможность (эффективность) наружного климата характеризуется расчетными значениями показателей наружного климата района строительства: солнечной радиацией, скоростью и направлением ветра, температурой наружного воздуха и т. д.

В результате,  если будут  определены расчетные значения показателей наружного климата, а также значения их совместной повторяемости, то  реально построить карту России, на которой в векторном виде можно изобразить потенциальные энергетические возможности наружного климата. Такая карта явится основанием для определения целесообразности применения тех или иных установок,  использующих энергетические возможности наружного климата.

Таким образом, задача определения потенциальных энергетических возможностей наружного климата сводится к определению расчетных значений показателей наружного климата и учету их совместного сочетания.

Основным требованием, предъявляемым к математической модели показателей наружного климата, является учет их совместного сочетания. Возможны три подхода к построению математической модели совокупности показателей наружного климата: детерминированный, вероятностный и детерминированно-вероятностный. Первый подход основан на использовании реального сочетания совокупности показателей наружного климата каждого географического пункта за многолетний период. Сущность этого подхода заключается в следующем. В архивах метеостанции собраны за много лет ежечасные и срочные показатели климата для данного географического пункта. С целью использования в теплотехнических расчетах эти данные систематизируют в табличную форму. В табл. 1 приведена примерная табличная форма систематизации показателей наружного климата.

В таблицу показателей наружного климата заносят из архива значения показателей за весь период наблюдений. После этого массивы чисел из таблицы заносят во внешнюю память компьютера. При расчетах теплового режима здания значения показателей наружного климата вызываются из внешней памяти компьютера в оперативное устройство, выполняющее расчет. При этом могут быть вызваны значения показателей наружного климата всего периода или его отдельных частей (например, холодный период – январь, теплый период – июль и т. д.). Рассмотренная модель является наиболее адекватной моделью климата для данного географического пункта. Использование такой модели позволяет построить гистограмму распределения частот выходного показателя (нагрузки на систему регулирования теплового режима, температуры помещения, температуры внутреннего воздуха и т. д.). Для построения гистограммы на оси ординат наносят расчетные интервалы времени (шаги по времени), а на оси абсцисс – возможные (ожидаемые) значения выходного показателя. Учитывая, что современные компьютеры снабжены графопостроителями, процесс построения гистограммы целесообразно автоматизировать. Анализ распределения частот появления выходного показателя позволяет визуально, а при необходимости и численно оценить его обеспеченность.

При вероятностном подходе к построению математической модели совокупности показателей наружного климата изменение этих показателей является случайным процессом, причем нестационарным и многомерным. Показатели климата проявляют взаимные корреляции, как положительные, так и отрицательные. Так, например, в ряде местностей наблюдается в зимнее время сочетание низких температур наружного воздуха с высокими скоростями ветра; в других – низким температурам со-ответствуют малые скорости ветра. Некоторые метеостанции регистрируют показатели, которые свидетельствуют об отсутствии корреляции похолодания со скоростью ветра. Нестационарность случайного процесса изменения показателей наружного климата иллюстрируется выраженными периодическими составляющими амплитуд, которые, однако, того же порядка, что и чисто случайные составляющие. Если же выделить чисто случайный процесс и рассматривать его изменения во времени, то видно, что спектр его очень широк, и наряду с очень медленными составляющими (один год в среднем может очень сильно отличаться от другого) видны и быстрые гармоники с периодом в несколько часов.

В свете отмеченных выше трудностей нельзя ожидать единого для всех местностей и конкретных задач универсального подхода к построению вероятностной математической модели совокупности показателей наружного климата. В то же время можно рекомендовать следующие подходы к решению задачи. По экспериментальным данным можно построить как одномерные функции распределения показателей наружного климата, так и двухмерные: температура – скорость ветра, температура – солнечная радиация, температура – относительная влажность, энтальпия наружного воздуха – солнечная радиация. Распределение повторяемостей двухмерного комплекса можно представить в виде поверхности, определяемой рядом статистических характеристик. Так, поверхность, подчиняющаяся закону нормального распределения, полностью описывается пятью статистическими: двумя средними, двумя среднеквадратичными отклонениями и коэффициентом корреляции.

Рассмотрение более сложных фазовых областей (трехмерных и более) нецелесообразно, т. к. потребует большего экспериментального материала, чем накопленный на метеостанциях. Наличие неслучайных составляющих приводит к тому, что приходится все эти распределения строить для конкретного набора времен: скажем, четыре раза в сутки для всех дней данного месяца. Затем выполняется интерполяция по времени между этими четырьмя замерами, причем интерполируется не сам показатель (например, температура), а параметры распределения: среднее и дисперсия. Для двухмерных распределений выполняется интерполяция двух средних, двух дисперсий и коэффициента корреляции. В результате получаем функцию распределения для произвольного момента времени, не ограничиваясь только штатными сроками замеров на метеостанции.

Трудность в этом методе возникает при необходимости интерполирования распределения величин, не меняющихся по гармонике. Например, солнечная радиация ночью равна нулю, и ход изменения ее во времени в дневное время может быть очень сложным при переменной облачности. Одним из недостатков метода является то, что он не учитывает динамику процесса, не рассматривает инерцию климатических явлений. Например, в распределение температуры в 19:00 часов в июне войдут все измерения за июнь текущего года и ряда предыдущих лет. Между тем, июнь месяц может сильно отличаться в разные годы. Разница между днями этого года может быть несравнимой с разницей, определяемой для разных лет. Однако, исходя из практических потребностей расчетов теплового режима помещений, можно считать, что изложенный метод моделирования распределений обеспечивает инженерную точность результатов расчета.

При использовании нетрадиционных источников энергии в системе теплоснабжения зданий в том или ином географическом пункте необходимо определить комплекс значений параметров наружного климата, характеризующих его энергетические возможности, а также эффективность и целесообразность их применения.

Основными параметрами наружного климата в этом аспекте проблемы являются температура Т₀ (или энтальпия) наружного воздуха, скорость ветра V₀ и солнечная радиация J, которые при репрезентативной выборке будем считать независимыми величинами.

Одним из решений задачи комплексного представления параметров наружного климата является задание их совместного распределения в виде таблицы сочетаний, которая формируется следующим образом. Значения совместно анализируемых параметров X и Y округляются с тем, чтобы можно было рассматривать ограниченное число значений, принимаемых этими параметрами: X₁,...,X_i,...,X_k; Y₁,...,Y_j,...,Y_m. Для каждого сочетания (X_i, Y_j) по данным наблюдений рассчитывается число случаев n_ij, когда параметры принимали эти значения. Вероятность события, когда один или оба параметра принимают ряд значений, оценивается суммированием чисел n_ij по соответствующим i и j.

Для энергетической характеристики климата представляет интерес оценить обеспеченность работы установок, использующих нетрадиционные источники энергии, при экстремальных температурных условиях. Поэтому в качестве основного параметра климата примем температуру наружного воздуха Т₀ (или производную от нее величину – энтальпию), а в качестве параметров, характеризующих энергетическую эффективность климата, – скорость ветра V₀ и солнечную радиацию J. В дальнейшем изложении под параметром X будем понимать основной параметр климата.

При решении практических задач необходимо определить вероятность того, что параметр Y, описывающий энергетические возможности климата, примет значение в некоторых пределах, например, от a до b. Это событие будем называть попаданием Y в «рабочий интервал». Границы «рабочего интервала» обуславливаются техническими характеристиками предполагаемых установок по использованию нетрадиционных источников энергии.

Рассмотрим ряд П_1k,...,П_jk,...,П_mk, соответствующий значениям Y₁,...,Y_j,...,Y_m, при экстремальном значении параметра климата Х_к, которое мы будем принимать за расчетное, т. е. Х_к = Х_сal.

Если параметр Y не является ограниченным, то за его расчетное значение будем принимать средневзвешенную величину по частоте наблюдений:

Y_cal = (Y₁П_1,k + Y₂П_2,k + … + Y_jП_{j, k} + … + Y_mП_m,k) /
/ (П_1,k + П_2,k + … + П_{j, k} + … + П_m,k).    (1)

Если параметр Y является ограниченным, то за его расчетное значение следует принимать средневзвешенную величину по частоте наблюдений для рабочего интервала от a до b. Необходимо отметить, что для неограниченного параметра Y интервал Y₁ < Y < Y_cal будем считать «условно нерабочим», Y_cal ≤ Y ≤ Y_m – «рабочим».

Исходя из вышеизложенного, наряду с расчетными значениями отдельных климатических параметров целесообразно использовать расчетное сочетание (Х_cal = Х_k, Y_cal), характеризующееся совместной вероятностью:

(2)

где – сумма частот событий, когда Х = Х_к, a < Y <b.

Величина коэффициента совместной обеспеченности равна вероятности того, что значение основного параметра не равно расчетному или значение параметра, описывающего энергетические возможности климата, находятся вне рабочего интервала.

Следовательно, коэффициент совместной обеспеченности определяется по формуле:

     K_rel(X_cal, Y_cal) = 1 - W(X_cal, Y_cal). (3)

Рассматривая двухмерный комплекс, состоящий из параметров X и Z, аналогично получим:

     K_rel(X_cal, Z_cal) = 1 - W(X_cal, Z_cal). (4)

Если параметры X, Y, Z попарно независимы, то совместный коэффициент обеспеченности их расчетных значений можно определить из соотношения:

     K_rel(X_cal, Y_cal, Z_cal) = K_rel(X_cal, Y_cal)K_rel(X_cal, Z_cal).    (5)

Методика оценки энергетической возможности климата при статистической обработке климатических данных следующая:

1. Выбирается период наблюдения за климатом предшествующих лет.

2. В зависимости от предполагаемого вида и режима работы системы по использованию нетрадиционных источников энергии производится отбор климатических данных по интересующему комплексу параметров:

• механически данные метеорологических наблюдений делят на периоды (летний, зимний и переходный период);
• параметры выбираются из типичной части наблюдений (наиболее жаркие или наиболее холодные сутки, пятидневки, декады и т. д.).

3. Составляются двухмерные комплексы совместного появления климатических параметров, охватывающие все параметры, характеризующие энергетическую эффективность климата. Одной из составляющих каждого из вышеуказанных комплексов должен быть климатический параметр – температура наружного воздуха T₀.

4. Группировка климатических данных производится в соответствии с градациями, принятыми в действующих нормативных документах и справочниках, с учетом технических характеристик предполагаемых установок.

5. В зависимости от режима работы системы за расчетное значение температуры наружного воздуха Т_cal можно принимать следующие значения:

• для летнего и зимнего периода – экстремальные значения (близкие к экстремальным);
• для переходного – среднемесячные значения.

6. Исходя из технических характеристик предполагаемых установок определяются границы рабочего интервала.

7. Рассматривая каждый из двухмерных комплексов с учетом п. 5 и 6, по формуле (1) определяется расчетное значение климатического параметра, характеризующее энергетические возможности климата.

8. По формулам (3) и (4) для каждого двухмерного комплекса определяется коэффициент совместной обеспеченности K_rel, величина которого для многомерного комплекса определяется по формуле (5).

Предполагая, что в качестве альтернативного источника будет использована энергия ветра и солнечной радиации, определим комплекс значений параметров для климатических условий Апшеронского полуострова. Исходными данными являются восьмисрочные метеорологические наблюдения.

Порядок расчета:

1. Выбираем период наблюдения 15 лет, с 1969 по 1983 год.

2. Производим отбор климатических данных, принимая к рассмотрению наиболее холодные пятидневки зимнего периода. Выбираем комплексы параметров наружного климата:

а) температура – скорость ветра;

б) температура – солнечная радиация.

Объем выборки равен: случаев.

3. Определяется число случаев для каждого сочетания градаций параметров комплекса. Для комплекса температура – скорость ветра рассчитанные значения представлены в табл. 2; а для комплекса температура – солнечная радиация – в табл. 3.

4. За расчетную температуру наружного воздуха принимаем значение, близкое к экстремальному: T_cal = -8 °С.

5. Определяем границы рабочих интервалов для каждого параметра:

а) предполагается использование ветроэнергетической установки со скоростью включения 5 м/с, выводимой из рабочего режима при скорости ветра более 20 м/с, т. е. a = 5 м/с; b = 20 м/с;

б) для солнечного коллектора: a = J_cal, b = J_m.

6. Принимая во внимание, что T_cal = -8 °С, по формуле (1) определяем расчетное значение V_cal и J_cal:

V_cal = (5 • 7,5 + 4 • 11,5 + 1 • 15,5 + 1 • 19) /
/ (1 + 1 +5 + 4) = 11 м/с,

J_cal = (16 • 25 + 2 • 150 + 2 • 250) /
/ (16 + 2 + 2) = 60 Вт/м².

Полученная величина солнечной радиации J_cal= 60 Вт/м² является среднесуточным значением.

7. По формулам (3) и (4) определим коэффициент совместной обеспеченности К_rеl для каждого комплекса в отдельности, а по формуле (5) – для всего трехмерного комплекса:

K_rel(T_cal, V_cal) = 1 - (20 - 9) / 600 = 0,98,
K_rel(T_cal , J_cal) = 1 - 20 / 600 = 0,96,
K_rel(T_cal , V_cal, J_cal) = 0,98 • 0,96 = 0,94.

Таким образом, определен комплекс значений параметров наружного климата, характеризующих его энергетические возможности, и соответствующий коэффициент обеспеченности.

Для выбора оборудования, предназначенного для формирования внутреннего микроклимата в зданиях, использующих энергию природной среды, определяют, какие шаги должны быть приняты для нахождения успешного гибридного решения. Это оборудование может играть две основные роли: усиливать накопление, распределение и эффективное использование природной энергии в обитаемых помещениях и буферных зонах или быть независимым дополнением к используемой природной энергии.

Литература

1. Табунщиков Ю. А., Акопов Б. Л. Оценка энергетичес-кой эффективности наружного климата для зданий с нетрадиционными источниками теплоснабжения. Материалы 2-ого международного симпозиума «Строительная климатология». – М., 1987.