Удельные воздушно-тепловые и холодильные нагрузки общественных помещений

А. Г. Сотников, доктор техн. наук, профессор, otvet@abok.ru

Рассмотрим упрощенное представление о том, что расход холода есть теплоизбытки или тепловлагоизбытки помещения (полная теплота). Это справедливо только для чисто рециркуляционных систем, с учетом того, происходит ли осушение воздуха, требующее лишнего холода. Если давление вентилятора небольшое, можно не учитывать подогрев воздуха в нем. В общем случае мгновенный расход холода – нетто СКВ при текущих нагрузках (Q_{пом.явн}, G_вл), параметрах воздуха в помещении (t_в, i_в), наружного воздуха (G_н, t_н, i_н), расходе приточного воздуха G_пр и его нагреве ∆t_пр в вентиляторе, двигателе и воздуховодах объясняет формула (1) и соответствующее построение процесса охлаждения-осушения в i-d диаграмме (рис. 1). Термин «мгновенный» здесь введен сознательно, чтобы напомнить читателю о постоянном изменении основных составляющих тепловой и влажностной нагрузок обслуживаемых СКВ помещений, суточном ходе температуры и энтальпии наружного воздуха (пунктир), расходов приточного и наружного воздуха в системе.

В общем случае расход холода – нетто (без учета потерь холода в коммуникациях), он определяется четырьмя составляющими:

(1)

Предпочтительно определение расхода холода по формуле (1), то есть через исходные данные по А. А. Рымкевичу [7], а не как общепринято Q_x = G_пр (i_с–i_к). Формула (1) объясняет отдельные составляющие, их доли в общей холодильной нагрузке и их суточное и годовое изменение. В частном случае, если климатические условия близки к параметрам в помещении, расход холода близок к полной теплоте в помещении, если есть осушение, и к явной теплоте, если нет осушения.

Пример 1. Определить расчетную холодильную нагрузку СКВ в период 15–16 ч дня в расчетных летних условиях для Москвы и доли отдельных составляющих. Исходные данные: i_нрт = 54,5 кДж/кг; i_в = 45 кДж/кг (при t_в = +23 °С, j_в = 50 %), к_t = 1; Q_{пом.явн} = 40 кВт; G_вл = 0,003 кг/с; G_пр = 5 кг/с; G_н.min = 2 кг/с, ∆t_пр = 1,5 °С. Дополнительный расход холода, возникающий, если процесс охлаждения-осушения заканчивается при меньших t_к и d_к, чем требуется, не учитывать.

Вычисления расчетного расхода холода – нетто проводим по формуле (1), то есть через вышеперечисленные исходные данные: Q_{х.нетто} = 75 кВт. В данном случае, а условия могут изменяться (уменьшится i_н, Q_пом и т. п.), в расчетной холодильной нагрузке на ассимиляцию явной теплоты приходится только 53 %, скрытой теплоты – 10 %, снижение энтальпии наружного воздуха – 25 %, на ассимиляцию теплоты при нагреве приточного воздуха 12 %.

Таким образом, любая (текущая или расчетная) холодопроизводительность может быть определена по исходным данным без построения процессов в i d диаграмме. При такой методике особенно удобно не столько вычисление Q_x, сколько анализ его изменения в течение суток, теплого периода и всего года. В вечерние и ночные часы энтальпия i_н изменяется (уменьшается) и поэтому расход холода снижается (рис. 1), даже не принимая в расчет изменения других составляющих.

Рисунок 1. Графическое представление в поле i-d диаграммы о процессе охлаждения-осушения воздуха и соответствующих составляющих расхода холода в СКВ

Проиллюстрируем метод удельных воздушно-тепловых и холодильных нагрузок двумя видами данных, общих и более частных. Это удельные теплоизбытки основных помещений жилых и общественных зданий и удельные расходы наружного воздуха, отнесенные к 1 м² их площади (рис. 2) [1, 10]. Эти материалы позволяют иначе подойти к оценке и выбору систем организации воздухообмена в помещении. В работе К. Fitzner [12] представлены обобщенные данные о сравнительной области применения систем перемешивающей (MV) и вытесняющей вентиляции (DV). В ее основу положен учет сочетания минимального удельного расхода наружного воздуха и удельной холодильной нагрузки помещения.

Рисунок 2. График обобщенных сочетаний удельных теплоизбытков (кВт/м2) площади, приходящейся на одного человека, удельных расходов приточного и наружного воздуха на 1 м2 пола при Δtp = 7 ºС, kt = 1,0 и Lн.сан = 60 м3/(ч·чел.) в характерных жилых и общественных зданиях; 1 – современные офисы и бизнес-центры; 2 – рестораны, конференц-залы, залы кинотеатров, театров, клубов, школьные классы, учебные кабинеты; 3 – жилые вентилируемые помещения (в среднем) при Lн/Fпл = 3 м3/(ч·м2); 4 – продовольственные и непродовольственные магазины разного назначения, кроме универсамов и супермаркетов [13] с холодильными прилавками

Интересно сравнить расчетную удельную потребность в холоде (кВт/м²) центральных СКВ различных общественных зданий со всеми одновременно работающими потребителями с аналогичным расчетным удельным расходом теплоты на отопление (кВт/м²) этих же зданий [9]. Для такого анализа на рис. 3 приведена расчетная удельная отопительная нагрузка разных зданий в зависимости от их назначения и этажности. Из сравнения можно сделать вывод, что при неравномерности использования холодильной нагрузки с учетом неодновременности пофасадного воздействия радиации, периодичности пребывания людей и их разных требований к комфорту холодильная нагрузка центральных СХС СКВ здания чаще всего оказывается меньше тепловой на отопление. Этот вывод интересен в случае применения теплового насоса для отопления и использования реверсируемой водоохлаждающей машины. Нельзя не учитывать, что зона теплопотерь находится у наружных ограждений и поэтому частично не совпадает с местами тепловыделений конкретного помещения с его оборудованием. Лишь в жилых и некоторых общественных помещениях основная теплота поступает снаружи через окна, как и теплопотери, что учитывается пофасадным управлением [2–6, 11 и др.].

Рисунок 3. График удельного нормируемого расчетного расхода теплоты на отопление qотF, кВт/м2, в зависимости от типа и этажности зданий разного назначения [9]; 1 – жилые здания, гостиницы, общежития; 2 – здания общественные, кроме названных для линий 3, 4 и 5; 3 – поликлиники, лечебные учреждения, дома интернаты; 4 – дошкольные учреждения; 5 – объекты сервисного обслуживания; 6 – здания административного назначения (офисы). Данные получены при следующих условиях: tв = +20 ºС, tнрх = –25 ºС, hпом ≈ 3 м

Факторы, влияющие на определение режимов работы управляемых систем вентиляции

Комбинированный стохастически-упорядоченный подход к оценке и анализу изменения числа людей и саннормы L_н в помещениях разного назначения необходим для оценки текущих расходов и объективного исследования режимов работы управляемых систем вентиляции. Традиционно в строительной отрасли все здания по функциональному назначению разделяют на промышленные и гражданские (различные общественные и жилые), однако такой принцип ничего не объясняет. С точки зрения мотивов (цели) пребывания людей все помещения следует разделять на группы, где постоянно находятся штатные сотрудники и где люди в переменном количестве отдыхают или проводят свой досуг. В общественных зданиях имеются обе группы, вторая группа людей обычно преобладает и переменна как по часам суток, так и в течение года (рис. 4 а, б).

Рисунок 4. Временной анализ числа людей, находящихся в помещениях общественного назначения: а) – суточное изменение заполняемости помещения; вошедшие (1), вышедшие (2) и находящиеся внутри (3); б) – годовое изменение заполняемости; в нижней части показан график изменения расхода теплоты на нагревание наружного воздуха без учета (1) и с учетом (2) переменного числа людей в данном помещении; при использовании такого решения утилизация теплоты может не потребоваться или быть значительно снижена

Наиболее сложно определить число людей для каждого часа суток в помещениях, где посещаемость – случайная величина (магазины, музеи и др.), когда число входящих и выходящих трудно фиксировать (рис. 5), разве что по проданным билетам или на турникетах. Для каждого момента времени число людей в таком помещении определяют как разницу вошедших (линия 1) и вышедших (линия 2) с начала отсчета. Характерно, что в определенные часы суток, а также при низких и высоких наружных температурах, заполняемость многих помещений резко снижается, что по согласованию с заказчиком учитывают в задании на проектирование. Это, в конечном счете, позволяет в данные часы и дни снижать производительность вентиляции или даже не включать систему подачи наружного воздуха [15, 16].

Рисунок 5. Определение числа людей в помещении со случайной заполняемостью как разница накопленных сумм вошедших (1), вышедших (2) из него и числа людей в любой момент времени (3), что соответствует заштрихованной площади

Изменение концентрации углекислого газа в помещении

Изменение (нарастание) концентрации углекислого газа в процентах или промилях (миллионных долях объема или массы вредного вещества, ppm) можно выразить во времени с учетом кратности воздухообмена по наружному воздуху на основе удельной площади помещения, приходящейся на одного человека, высоты помещения и средних выделений углекислого газа человеком л/(чел.·ч) = 0,02 м³/(чел.·ч) при условии идеального и мгновенного перемешивания:

(2)

где h_пом – высота помещения, м;
f_уд– удельная площадь, приходящаяся на одного человека, определяемая по заданию, м²/чел.;
c_co2(τ)– текущая концентрация углекислого газа в воздухе помещения, % или ppm;
c_co2н– начальная концентрация в наружном воздухе, % или ppm.

Эта формула может использоваться в расчетах изменения концентрации углекислого газа в помещении при наличии воздухообмена (k_p > 0) или его отсутствии (k_p = 0).

Физиологический механизм воздействия CO₂ следующий: при повышении концентрации во вдыхаемом человеком воздухе увеличивается его парциальное давление в альвеолах, образуется слабая угольная кислота CO₂ + H₂O = H₂CO₃, распадающаяся на H⁺ и HCO₃^–. В этом случае снижается pH крови и тем более кислую реакцию имеет кровь, это называется ацидозом. Минимальные последствия ацидоза – перевозбуждение, повышенное сердцебиение и давление. При более сильном ацидозе человек становится более вялым, сонливым, ощущает беспокойство. На свежем воздухе эти реакции пропадают. Поясним методики расчетов изменения концентрации СО₂ во времени характерными примерами.

Пример 2. В учебной аудитории после восьми часов занятий (t = 8 ч) концентрация углекислого газа достигла c_co2(t = 8) = 2 900 ppm при концентрации в наружном воздухе c_co2 = 400 ppm. Определить кратность воздухообмена в школьном классе, приняв выделения углекислого газа одним учеником g_co2 = 20 л/(ч·чел.) = 0,02 м³/(ч·чел.), площадь пола, приходящуюся на одного ученика f_уд = 2 м², высоту помещения h_пом = 3 м и объем V_уд = 6 м³/чел. По формуле (2) получаем k_p = 1,3 ч^–1, что соответствует удельному расходу наружного воздуха L_н.уд = 7,8 м³/(ч·чел.) и явно недостаточно как для обеспечения допустимой концентрации углекислого газа, так и для ассимиляции возможных теплоизбытков в помещении.

Пример 3. Рассчитать почасовое повышение концентрации углекислого газа в промилях в воздухе продовольственного магазина без включения вентиляции до достижения концентрации c_co2 = 2 000 ppm при увеличивающемся числе покупателей во времени от начала работы и таких данных: высота помещения h_пом = 4 м, начальная удельная площадь пола на одного человека в момент открытия магазина t₀ = 10 ч f_уд.0 = 12 м²/чел. с линейным уменьшением этой площади по мере роста числа покупателей по зависимости f_уд (t) = f_уд.0 (1– –0,1 (t–t₀)), м²/чел., и выделении углекислого газа одним человеком g_co2 = 20 л/(ч·чел.) = 0,02 м³/(ч·чел.).

Исходная формула для расчета повышающейся концентрации углекислого газа в воздухе магазина при начальной концентрации в наружном воздухе c_H = 400 ppm имеет вид:

Через час работы магазина (t = 11 ч) c_co2 = 840 ppm, через 2 ч – c_co2 = 1 400 ppm, через 3 ч – c_co2 = 2 100 ppm. В результате расчета оказалось, что предельная заданная концентрация c_co2 = 2 000 ppm в воздухе магазина при выключенной вентиляции будет достигнута в конце третьего часа работы магазина.

Пример 4. Определить момент начала плохого самочувствия и возможных обмороков пассажиров t_обм в остановившемся вагоне метро без вентиляции, полагая критическую концентрацию c_co2 = 1 % = 10 000 ppm, если в час пик в вагоне метро удельная площадь на человека f_уд = 0,3 м²/чел., высота от плеч до потолка вагона ∆h = 1 м, начальной концентрацией углекислого газа пренебречь. Искомое время определяется по формуле (2): t_обм = 0,15 ч = 9 мин.

Холодильные нагрузки супермаркетов

Подробные специализированные данные о нагрузках американских супермаркетов приведены в статье [13]. Относительно малые величины q_х, выявленные при обработке этих данных, по мнению автора объясняются теплотой, «отнимаемой» холодными поверхностями прилавков, где находятся охлаждаемые продукты. Что касается сравнительного выбора холодильных систем для супермаркетов – с непосредственным испарением или со вторичным контуром охлаждения, адресуем читателя к статье [14].

Холодильные нагрузки высотных жилых зданий премиум-класса по данным компании ООО «Миракс-проект» описаны в статье [8]. Эти здания площадью пола F_пл = 17 000–82 000 м² имели удельную холодильную нагрузку q_х = 56–71 Вт/м² при коэффициенте одновременности пребывания людей k_одн.л = 0,2, однако методика расчета этих величин в статье не приведена. В дальнейшем подобные сведения требуют тщательного обоснования, сбора, анализа, систематизации и помогут при проектировании систем кондиционирования воздуха и их холодоснабжения.

Литература

1. Ваверка Й. Удельные тепловые характеристики общественных зданий // Водоснабжение и санитарная техника. – 1989. – № 6.
2. Грудзинский М. М., Ливчак В. И. Учет солнечной радиации при центральном регулировании отопления // Водоснабжение и санитарная техника. – 1985. – № 8.
3. Дешко Э. Л., Слоневский В. Ф. Расходы тепла при отоплении с автоматическим регулированием // Водоснабжение и санитарная техника. – 1973. – № 6.
4. Ливчак В. И., Чугункин А. А., Оле-нев В. А., Карасев В. Л. Эффективность пофасадного регулирования систем отопления // Водоснабжение и санитарная техника. – 1986. – № 5.
5. Локшин Л. С. Пофасадное регулирование отопления жилых зданий // Водоснабжение и санитарная техника. – 1983. – № 8.
6. Мадорский И. С., Драчнев В. Г. Учет солнечной радиации при пофасадном регулировании отпуска тепла // Водоснабжение и санитарная техника. – 1977. – № 2.
7. Рымкевич А. А. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха. Изд. 1. М.: Стройиздат, 1990.; Изд. 2. СПб., 2003.
8. Смирнова И. Н. Системы кондиционирования воздуха объектов премиум-класса. Энер-ге-ти-ческие, экономические и эксплуатационные показатели // АВОК. – 2009. – № 1.
9. СНиП 23–02–2003. Тепловая защита зданий. М.: ГОССТРОЙ России. – 2004.
10. Сотников А. Г. Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции // Теория, техника и проектирование на рубеже столетий. СПб.: AT-Publiсhing. T. I. 2005; т. II. Ч. 1. 2006; т. II. Ч. 2. 2007.
11. Чистович С. А., Харитонов В. Б. Автоматизированные системы теплофикации, теплоснабжения и отопления // АВОК С З, СПб., 2008.
12. Fitzner K. Взгляд из Германии на перспективное развитие систем ОВК // АВОК. – 2000. – № 3.
13. Hill J., Lau A. Улучшение рабочих характеристик систем кондиционирования в супермаркетах // АВОК. – 2001.– № 6.
14. Horton W. T., Groll E. A. Хо-ло-диль-ные системы для супермаркетов. Сравнение системы с непосредственным испарением и системы со вторичным контуром охлаждения // АВОК. – 2005. – № 6.
15. Lawrence T. Системы вентиляции, регулируемые по уровню потребности // АВОК. – 2005. – № 5.
16. Warden D. Регулирование расхода приточного воздуха по концентрации CO₂. Минимальный расход наружного воздуха для систем, обслуживающих несколько помещений // АВОК. – 2005. – № 2.