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:

Расчет мощности систем охлаждения помещений

Calculation of Room Cooling Systems’ Capacity

V. I. Kostin, Doctor of Engineering, Professor, Novosibirsk State Architecture and Construction University (Sibstrin)

Keywords: heat gains, dynamics, calculation, climate control systems

The article demonstrates feasibility of performing monthly and daily calculations of climate control systems. Performance of such calculations will improve reliability of the systems and reduce operating costs.

Описание:

В статье показана целесообразность проведения помесячных и посуточных расчетов систем климатизации. Проведение таких расчетов повысит надежность систем и снизит эксплуатационные затраты.

Расчет мощности систем охлаждения помещений

В статье показана целесообразность проведения помесячных и посуточных расчетов систем климатизации зданий. Проведение таких расчетов повысит надежность этих систем и снизит эксплуатационные затраты.

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 tв.

Исходные данные

Помещение расположено на первом этаже здания, имеет две наружные стены, ориентированные на юг и север. Место расположения – Новосибирск. Расчетная температура наружного воздуха tнр = +26,4 °C. Амплитуда колебания наружного воздуха от максимальной tнmax до минимальной температуры tнmin A = 11,4 °C. Объем помещения 10800 м3, внутренние поступления теплоты в рабочее время Qв = 32,4 кВт, кратность воздухообмена, определенная из условия соблюдения санитарных стандартов, n = 4, tв = +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 Qmaxс.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 tв 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.

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

Рисунок 1.

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

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

Рисунок 2.

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

Суточное изменение холодильной нагрузки при трехсменной работе

Рисунок 3.

Суточное изменение холодильной нагрузки при трехсменной работе

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

Qx = Qxmin/ Qxр (1)

где Qxmin, Qxр – минимальная и расчетная (максимальная) мощность системы охлаждения.

Qx = Qxп + Qxв(2)

где Qxп, Qxв – соответственно расходы холода на охлаждение помещения и приточного воздуха.

Таблица 1
Число
смен
Qвm +
+ Qmaxс.р/Qxр.п
Qxmin/Qxр ΔQxп/Qxср.п,
%
Qxiр/Qx3р Qxiр.п/Qx3р.п
Одна 2,740 0,112 ±12,90 0,818 0,39
Две 1,720 0,192 ±11,14 0,882 0,69
Три 1,152 0,300 ±0,58 1,000 1,00

В табл. 1 приводятся сопоставления ряда расчетных показателей. В ней приняты следующие обозначения: Qв – внутренние теплопоступления; Qmaxс.р – максимальные часовые поступления солнечной радиации; Qxр.п – максимальный расход холода на охлаждение помещения, определенный данным расчетом; ∆Qxп – амплитуда колебания расхода холода на охлаждение помещения от среднесуточного расхода Qxср.п; Qxi – расход холода для одно-, двухсменной работы, Qx3 – для трехсменной работы.

Данные табл. 1 позволяют сделать следующие выводы:

1. Определение мощности системы охлаждения по максимальным теплопоступлениям (Qв + Qmaxс.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 ∆Qxп 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 tн до +10 °C и менее +20 °C (в процентах от общей продолжительности месяцев) для трех городов России за период май–сентябрь2.

Таблица 2
Город tн, °C Месяц
Май Июнь Июль Август Сентябрь
Благовещенск ≤+10 42,3 3,1 1,0 1,5 36,8
< +20 88,4 59,7 41,8 63,0 91,4
Москва ≤ +10 33,0 8,9 1,9 9,3 41,0
< +20 86,4 72,9 68,0 75,8 98,2
Новосибирск ≤ +10 45,2 15,0 3,7 16,7 53,4
< +20 89,5 68,9 58,7 80,5 93,4

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 tнmin = +10 °C, максимальная tнmax = +17,5 °C. Пасмурная погода.

2. tнmin = +12 °C, tнmax = +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; Qн – динамика изменения нагрева, Qx – 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.

Таблица 3
Число смен Qн/Qx
tнmin = +10 °C,
tнmax = +17,5 °C
tнmin = +12 °C,
tнmax = +22,9 °C
Одна 7,41 3,76
Две 2,57 1,49

Примечание.
Qн – суточный расход тепла на нагрев приточного воздуха,
Qx – суточный расход холода на охлаждение помещения.

Из табл. 2 видно, что продолжительность стояния температур tн 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 tнmax = +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 tн 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 tн (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].

купить online журнал подписаться на журнал
Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №6'2013

распечатать статью распечатать статью


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