Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член
Summary:

Specific heating air and refrigeration loads of descriptive public rooms

A. G. Sotnikov, Doctor of Engineering Science, Professor, otvet@abok.ru

The correct selection of designed and evaluation of current thermal and moisture loads of different rooms in public buildings, capital and energy costs are very valuable for design of the air conditioning system. The article discusses one of the calculation methods use for determination of these figures based on aggregated specific values of heat emissions in different rooms, specific moisture emissions of evaporation surfaces, other specific heat and moisture emissions from different sources, specific steam and gas emissions in production rooms, specific outside air consumption according to the sanitary norm.

Keywords: air conditioning systems, specific loads, excessive heat, cooling capacity

Описание:

Удельные воздушно-тепловые и холодильные нагрузки характерных общественных помещений

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

Правильный выбор расчетной и оценка текущих тепловой и влажностной нагрузок помещений общественных зданий разного назначения, капитальных и энергетических затрат, имеют большое значение при проектировании системы кондиционирования воздуха (СКВ). В статье рассмотрен один из методов расчета, используемый для определения этих величин и основанный на укрупненных удельных величинах тепловыделений в разных помещениях, удельных влаговыделениях поверхности испарения, других удельных тепло- и влаговыделениях от разных источников, удельных парогазовыделениях в производственных помещениях, удельных расходах наружного воздуха по санитарной норме.

Удельные воздушно-тепловые и холодильные нагрузки общественных помещений

Правильный выбор расчетной и оценка текущих тепловой и влажностной нагрузок помещений общественных зданий разного назначения, капитальных и энергетических затрат, имеют большое значение при проектировании системы кондиционирования воздуха (СКВ). В статье рассмотрен один из методов расчета, используемый для определения этих величин и основанный на укрупненных удельных величинах тепловыделений в разных помещениях, удельных влаговыделениях поверхности испарения, других удельных тепло- и влаговыделениях от разных источников, удельных парогазовыделениях в производственных помещениях, удельных расходах наружного воздуха по санитарной норме. Этот метод расчета весьма удобен для экспресс-определения основных характеристик проектируемой СКВ.

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 (Qпом.явн, Gвл), параметрах воздуха в помещении (tв, iв), наружного воздуха (Gн, tн, iн), расходе приточного воздуха Gпр и его нагреве ∆tпр 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 Qx = Gпр (iсiк). 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: iнрт = 54,5 кДж/кг; iв = 45 кДж/кг (при tв = +23 °С, jв = 50 %), кt = 1; Qпом.явн = 40 кВт; Gвл = 0,003 кг/с; Gпр = 5 кг/с; Gн.min = 2 кг/с, ∆tпр = 1,5 °С. Дополнительный расход холода, возникающий, если процесс охлаждения-осушения заканчивается при меньших tк и dк, чем требуется, не учитывать.

Вычисления расчетного расхода холода – нетто проводим по формуле (1), то есть через вышеперечисленные исходные данные: Qх.нетто = 75 кВт. В данном случае, а условия могут изменяться (уменьшится iн, Qпом 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 Qx, сколько анализ его изменения в течение суток, теплого периода и всего года. В вечерние и ночные часы энтальпия iн изменяется (уменьшается) и поэтому расход холода снижается (рис. 1), даже не принимая в расчет изменения других составляющих.

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

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 Lн 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 hпом – высота помещения, м;
fуд– удельная площадь, приходящаяся на одного человека, определяемая по заданию, м2/чел.;
cco2(τ)– текущая концентрация углекислого газа в воздухе помещения, % или ppm;
cco– начальная концентрация в наружном воздухе, % или ppm.

Эта формула может использоваться в расчетах изменения концентрации углекислого газа в помещении при наличии воздухообмена (kp > 0) или его отсутствии (kp = 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 cco2(t = 8) = 2 900 ppm при концентрации в наружном воздухе cco2 = 400 ppm. Определить кратность воздухообмена в школьном классе, приняв выделения углекислого газа одним учеником gco2 = 20 л/(ч·чел.) = 0,02 м3/(ч·чел.), площадь пола, приходящуюся на одного ученика fуд = 2 м2, высоту помещения hпом = 3 м и объем Vуд = 6 м3/чел. По формуле (2) получаем kp = 1,3 ч–1, что соответствует удельному расходу наружного воздуха Lн.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 cco2 = 2 000 ppm при увеличивающемся числе покупателей во времени от начала работы и таких данных: высота помещения hпом = 4 м, начальная удельная площадь пола на одного человека в момент открытия магазина t0 = 10 ч fуд.0 = 12 м2/чел. с линейным уменьшением этой площади по мере роста числа покупателей по зависимости fуд (t) = fуд.0 (1– –0,1 (t–t0)), м2/чел., и выделении углекислого газа одним человеком gco2 = 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 cH = 400 ppm имеет вид:

Через час работы магазина (t = 11 ч) cco2 = 840 ppm, через 2 ч – cco2 = 1 400 ppm, через 3 ч – cco2 = 2 100 ppm. В результате расчета оказалось, что предельная заданная концентрация cco2 = 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 tобм в остановившемся вагоне метро без вентиляции, полагая критическую концентрацию cco2 = 1 % = 10 000 ppm, если в час пик в вагоне метро удельная площадь на человека fуд = 0,3 м2/чел., высота от плеч до потолка вагона ∆h = 1 м, начальной концентрацией углекислого газа пренебречь. Искомое время определяется по формуле (2): tобм = 0,15 ч = 9 мин.

Холодильные нагрузки супермаркетов

Подробные специализированные данные о нагрузках американских супермаркетов приведены в статье [13]. Относительно малые величины qх, 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 Fпл = 17 000–82 000 м2 имели удельную холодильную нагрузку qх = 56–71 Вт/м2 при коэффициенте одновременности пребывания людей kодн.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.
купить online журнал подписаться на журнал
Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №5'2011

распечатать статью распечатать статью


Статьи по теме

Реклама
Реклама на нашем сайте
Rambler's Top100 Rambler's Top100 Яндекс цитирования



Кондиционирование, отопление, вентиляция

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте