Расчет мощности систем охлаждения помещений

В. И. Костин, доктор техн. наук, профессор, Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), izvuz_str@sibstrin.ru

Традиционно расчет систем климатизации в нашей стране ведется для трех значений температур наружного воздуха, принятых за расчетные для соответствующих периодов года: теплого, переходного, холодного [1]. Обеспечивает ли такой подход решение основной задачи систем климатизации – поддержание в помещении требуемого микроклимата при оптимальных капитальных и энергетических затратах? Думается, что нет. Поэтому представляются весьма интересными предложения, внесенные Ю.А. Табунщиковым и Ю.В. Миллер в статье [2]. Приведя ряд расчетов для жилых и административных помещений, авторы делают вывод, вносящий в случае его реализации существенные коррективы в практику проектирования систем климатизации: «Целесообразно проводить расчеты годового расхода тепловой энергии на отопление и охлаждение помещений зданий по разработанной математической модели,¹ учитывающей особенности режима эксплуатации помещения, такие как переменный воздухообмен, изменение внутренних теплопоступлений, переменные температуры внутреннего воздуха в течение суток, а также особенности почасовых изменений параметров наружного воздуха в течение года» [2].

Рассмотрим возможные результаты применения этой идеи на стадии проектирования на примере расчета мощности системы охлаждения промышленного здания с повышенными требованиями к точности поддержания заданной температуры внутреннего воздуха t_в.

Исходные данные

Помещение расположено на первом этаже здания, имеет две наружные стены, ориентированные на юг и север. Место расположения – Новосибирск. Расчетная температура наружного воздуха t_н^р = +26,4 °C. Амплитуда колебания наружного воздуха от максимальной t_н^max до минимальной температуры t_н^min A_tн = 11,4 °C. Объем помещения 10800 м³, внутренние поступления теплоты в рабочее время Q_в = 32,4 кВт, кратность воздухообмена, определенная из условия соблюдения санитарных стандартов, n = 4, t_в = +20 °C.

Конструкция стен: кирпичная кладка толщиной δ = 0,51 м, утеплитель URSA, δ = 0,06 м, коэффициент теплопроводности λ = 0,042 Вт/(м·°C).

Пол утепленный, утеплитель керамзитобетон, δ = 0,06 м, λ = 0,24 Вт/(м·°C). Остекление двойное (второе стекло теплоотражающее), сопротивление теплопередаче 0,48 (м·°C)/Вт.

Доля максимальных часовых поступлений от солнечной радиации Q_max^с.р в общем тепловом балансе 26,1%.

Результаты расчетов

Расчеты производились по программе РНП «АВОК» 5.1–2008 «Расчет нагрузки на систему кондиционирования воздуха при нестационарных теплопоступлениях». Часть результатов опубликована ранее в статье [4]. Здесь приводятся новые расчеты, которые производились из условия поддержания постоянной температуры t_в как в рабочее, так и в нерабочее время. Возможность отклонения температурного режима от расчетного в нерабочее время во избежание убытков от брака должна быть обоснована расчетами, подтвержденными натурными испытаниями. Однако подобного рода исследования нам неизвестны. Кроме того, в условиях рыночной экономики число рабочих часов зависит от объема заказов. Одно и то же предприятие может работать и в одну смену, и круглосуточно. Следовательно, системы климатизации должны быть одинаково экономичны и эффективны при любой сменности в работе.

Рисунок 1. Суточное изменение холодильной нагрузки при односменной работе (рабочий период с 8.00 до 16.00)

Рисунок 2. Суточное изменение холодильной нагрузки при двухсменной работе (рабочий период с 8.00 до 00.00)

Рисунок 3. Суточное изменение холодильной нагрузки при трехсменной работе

На рис. 1–3 показана в относительных величинах Q_x динамика изменения мощности системы охлаждения в течение расчетных суток (июль) при одно-, двух- и трехсменной работе.

Q_x = Q_x^min/ Q_x^р,  (1)

где Q_x^min, Q_x^р – минимальная и расчетная (максимальная) мощность системы охлаждения.

Q_x = Q_x^п + Q_x^в,  (2)

где Q_x^п, Q_x^в – соответственно расходы холода на охлаждение помещения и приточного воздуха.

В табл. 1 приводятся сопоставления ряда расчетных показателей. В ней приняты следующие обозначения: Q_в – внутренние теплопоступления; Q_max^с.р – максимальные часовые поступления солнечной радиации; Q_x^р.п – максимальный расход холода на охлаждение помещения, определенный данным расчетом; ∆Q_x^п – амплитуда колебания расхода холода на охлаждение помещения от среднесуточного расхода Q_x^ср.п; Q_xi – расход холода для одно-, двухсменной работы, Q_x3 – для трехсменной работы.

Данные табл. 1 позволяют сделать следующие выводы:

1. Определение мощности системы охлаждения по максимальным теплопоступлениям (Q_в + Q_max^с.р) существенно завышает ее величину (особенно при одно- или двухсменной работе).

2. Суточные колебания расходов холода определяются в основном изменением температуры наружного воздуха. Амплитуда изменения потребности в холоде для помещения ∆Q_x^п невелика, однако для помещений с большей степенью остекления и с меньшей тепловой инерцией ограждающих конструкций она может быть значительной.

В любом случае динамика изменения затрат холода на охлаждение приточного воздуха и помещения будет различной.

Применение расчетов

Рассмотрим теперь, как результаты расчетов можно использовать для анализа вариантов проектных решений системы охлаждения. Проанализируем следующие два варианта.

1. Раздельная система охлаждения приточного воздуха и помещения. Температура приточного воздуха принимается равной температуре внутреннего воздуха, а помещение охлаждается, например, настилающимися на остекление струями.

2. Совмещение охлаждения с приточным воздухом (совмещенная схема). Возникает вопрос – достаточно ли информации для технико-экономического сравнения этих вариантов дают произведенные для расчетного режима вычисления.

В табл. 2 приводится продолжительность стояния температур наружного воздуха t_н до +10 °C и менее +20 °C (в процентах от общей продолжительности месяцев) для трех городов России за период май–сентябрь².

Из табл. 2 видно, что в период с мая по сентябрь мощность холодильной нагрузки может существенно меняться, при этом колебания нагрузки могут происходить в рамках одного месяца. В помещениях с повышенными требованиями к круглосуточному постоянству температурного режима даже в июле может потребоваться подогрев приточного воздуха.

Поэтому были произведены расчеты для двух возможных в июле случаев³.

1. Минимальная температура t_н^min = +10 °C, максимальная t_н^max = +17,5 °C. Пасмурная погода.

2. t_н^min = +12 °C, t_н^max = +22,9 °C. Переменная облачность.

В обоих случаях требовалось круглосуточное охлаждение помещения.

Результаты расчета для совмещенной схемы при трехсменной работе представлены на рис. 4. Кривая 1 соответствует первому случаю, кривая 2 – второму; Q_н – динамика изменения нагрева, Q_x – охлаждения. Из рис. 4 видно, что для первого случая требуется круглосуточный нагрев приточного воздуха, для второго – с 10.00 до 20.00 необходимо охлаждение, в остальное время требуется нагрев. Однако смена работы теплообменников с режима нагрева на режим охлаждения и наоборот требует времени, в течение которого вследствие переходных процессов в системе обработки воздуха возможно нарушение температурного режима в помещении и появление брака.

Рисунок 4.

Для устранения этого явления нужны соответствующие решения, заранее предусмотренные в проекте.

Проведенные аналогичные расчеты для одно- и двухсменной работы показали, что при совмещенной схеме требуются значительные затраты энергии на нагрев приточного воздуха в нерабочее время (табл. 3), а при односменной работе – и на его охлаждение после окончания смены в течение 3–4 ч.

Из табл. 2 видно, что продолжительность стояния температур t_н менее +20 °C за летние месяцы составляет: для Благовещенска 55,8%, для Москвы 72,1%, для Новосибирска 69,4%. Следовательно, при совмещенной схеме для случаев одно- и двухсменной работы придется нагревать приточный воздух практически все лето.

Таким образом, применение совмещенной схемы охлаждения при одно- и двухсменной работе нецелесообразно. Заметим, что при расчетном режиме t_н^max = +26,4 °C затраты на нагрев приточного воздуха в нерабочее время невелики и частично компенсируются теплотой, аккумулированной ограждающими конструкциями. И если ограничиться сравнениями вариантов при параметрах наружного воздуха Б, то выводы могут получиться противоположными. Вопрос о целесообразности совмещенной схемы охлаждения при круглосуточной работе следует решать на основе технико-экономического анализа.

При традиционном расчете вряд ли удалось бы выявить необходимость подогрева приточного воздуха в июле, а тем более смену режима работы теплообменных аппаратов (нагрев – охлаждение – нагрев) в течение суток.

Эти выводы справедливы и для случаев, когда искусственное охлаждение воздуха не применяется. Примером могут служить данные о необходимости учета почасовых изменений t_н при расчете систем вентиляции на ассимиляцию избытков теплоты, приведенные в работе [5].

Реализация предложений авторов статьи [2] позволит учесть специфику зданий различного назначения, например зрелищно-развлекательного направления и общественного питания. В этих зданиях максимум внутренних теплопоступлений приходится на вечернее время (с 18.00 до 22.00, а иногда и позже), т.е. на период более низких температур наружного воздуха, по сравнению с так называемым расчетным часом. Так, в Новосибирске это снижение составляет: в 18.00 – 1,2 °C; в 20.00 – 4 °C; в 22.00 – 6,8 °C. Соответственно, будут меньше и расходы энергии на охлаждение приточного воздуха, а значит, и установочные холодильные мощности.

В то же время здания административного и общественного назначения, как правило, в ночное время не работают. Следовательно, для них нет необходимости делать вышеприведенные расчеты на случай появления в июле низких температур t_н (порядка +10 °C), которые могут быть в ночные часы.

Таким образом, число расчетных климатических точек (сочетаний параметров наружного воздуха и интенсивности солнечной радиации) зависит от конкретных климатических условий, назначения помещений, требований к состоянию его воздушной среды.

Расчеты должны учитывать годовую (по месяцам) и суточную динамику изменения потребности в теплоте (холоде) наружного воздуха.

Предложения, высказанные в статье [2], отнюдь не противоречат СНиПу [1], где регламентированы лишь экстремальные для соответствующего периода температуры наружного воздуха. А введение помесячных и почасовых расчетов повысит надежность систем климатизации и снизит затраты на их создание и эксплуатацию.

Для реализации предложений авторов статьи [2] целесообразно разработать соответствующие методические указания.

Литература

1. СНиП 41-01–2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. Введен в действие 01.01.2004 / Госстрой России. М. : Госстрой России, 2004.
2. Табунщиков Ю.А., Миллер Ю.В. Оценка годового расхода энергии на отопление и охлаждение зданий // АВОК.– 2013.– № 3.
3. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. М. : АВОК-ПРЕСС, 2002.
4. Костин В.И., Русских Е.Ю. Проблемы расчета холода на системы кондиционирования промышленных зданий // Известия вузов. Строительство.– 2012.– № 5.
5. Костин В.И., Федоров Б.А. Проблемы расчета воздухообмена в помещениях с избытками теплоты // Известия вузов. Строительство.– 2011.– № 6.

¹ Подробное изложение этой математической модели приводится в книге [3].

² Таблица составлена на основе данных «Научно-прикладного справочника по климату СССР». СПб., 1989–1998 гг.

³ Проблемы, связанные с расчетами для мая и сентября, рассмотрены в статье [4].