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:

Роль градусо-суток охладительного периода при расчете потребности жилых домов в охлаждении

Описание:

В России и за рубежом пока нет методик, непосредственно использующих показатель градусо-суток охладительного периода (далее – ГСОхП) для определения потребности в холоде систем кондиционирования воздуха. В отличие от отопительного периода, где теплопотери здания напрямую зависят от параметра градусо-суток отопительного периода (ГСОП), потребность в холоде зависит в основном от внутренних теплопоступлений в рабочих помещениях и внешних от облучения солнцем, и только частично от температуры наружного воздуха, когда она превышает внутреннюю расчетную1. Рассмотрим, как влияет значение ГСОхП на расчет потребности в холоде на кондиционирование воздуха в помещениях многоквартирных домов (МКД) в теплый период года.

Роль градусо-суток охладительного периода при расчете потребности жилых домов в охлаждении

В России и за рубежом пока нет методик, непосредственно использующих показатель градусо-суток охладительного периода (далее – ГСОхП) для определения потребности в холоде систем кондиционирования воздуха. В отличие от отопительного периода, где теплопотери здания напрямую зависят от параметра градусо-суток отопительного периода (ГСОП), потребность в холоде зависит в основном от внутренних теплопоступлений в рабочих помещениях и внешних от облучения солнцем, и только частично от температуры наружного воздуха, когда она превышает внутреннюю расчетную1. Рассмотрим, как влияет значение ГСОхП на расчет потребности в холоде на кондиционирование воздуха в помещениях многоквартирных домов (МКД) в теплый период года.

О методиках расчета

При расчете энергопотребления зданием за длительный период (обычно месяц или сезон)2 для оценки энергоэффективности при известных значениях среднесуточных за месяц теплопоступлений допускается использовать метод квазистационарного состояния, позволяющий учесть динамические эффекты за счет выведенного эмпирическим путем показателя использования притоков или потерь. Из-за отсутствия достаточного практического опыта в наших расчетах этот показатель пока принят равным 1. Рассчитанная по предлагаемой нами методике, приведенной ниже, величина удельного годового расхода холода будет максимальной величиной, поскольку ее уточнение с использованием динамических характеристик только понизит это значение.

Также вводится ряд допущений: принята интенсивность солнечной радиации, характерная для условий Москвы, и не учитывается потребность в отдельные периоды осушки наружного воздуха, которую при реальном проектировании можно оценить индивидуальным для каждого региона климатическим коэффициентом.

По методике США число ГСОхП3 определяется произведением абсолютного значения разности среднесуточной температуры наружного воздуха Tm за дни, когда она выше базовой температуры Tb = 65 °F (18,3 °C), и этой базовой температуры на количество таких дней в году. ГСОхП рассчитываются по той же формуле (1) (см. формулы), что и ГСОП, только для дней, когда Tm выше Tb.

Расчетные формулы

Оценка требуемого потребления холода для условий Москвы

Если пользоваться для расчета холода методикой США, которая едина для отопления и охлаждения, количество холода, необходимого для кондиционирования МКД в Москве с удельной мощностью системы отопления, отнесенной на 1 м2 площади квартир qрот = 48 Вт/м2, составило бы 8,2 кВт•ч/м2 (см. формулу 2).

Перед тем как рассчитать годовое потребление холода для кондиционирования МКД по предлагаемой нами методике, определим температуру наружного воздуха начала/окончания охладительного периода, исходя из уравнения теплового баланса здания (формула 3), пока без учета теплопоступлений с солнечной радиацией (при пасмурной погоде).

Выполним расчеты на примере двух квартир, ориентированных на юг/север, для условий Москвы с заселенностью общей площади квартир:

в 20 м2 на человека в Квартире 1, с площадями:
Акв = 60 м2, Аж = 33 м2, Аф = 27 м2, Аок = 9,3 м2;

в 40 м2 на человека в Квартире 2, с площадями:
Акв = 120 м2, Аж = 66 м2, Аф = 54 м2, Аок = 16,5 м2.

Приведенное сопротивление теплопередаче стен, исходя из выполнения первого этапа повышения энергоэффективности, одинаковое для обеих квартир Rст = 3,6 м2•°C/Вт, окон4 Rок = 0,8 м2•°C/Вт.

Тогда приведенный коэффициент теплопередачи наружных ограждений находится по известной формуле (4) без учета теплопотерь через цокольное перекрытие и перекрытие теплого чердака, которыми можно пренебречь при данных расчетах.

Нормативный воздухообмен в Квартире 1, исходя из 30 м3/ч на человека, равен Lвент кв.1 = 30•3 = 90 м3/ч, в Квартире 2 при 0,35 обмена в час от объема помещений квартиры5 с высотой этажа 2,7 м равен Lвент кв.2 = = 0,35•120•2,7 = 113,4 м3/ч.

Удельные внутренние теплопоступления от жителей, освещения, пищеприготовления, пользования горячей водой и электроприборами принимаются по стандарту СТО НОП6 с учетом сокращения теплопоступлений от освещения из-за увеличения светового дня в летний период. Для этого сначала из удельной величины этих теплопоступлений за отопительный период выделим вклад теплопоступлений от освещения в общих внутренних теплопоступлениях, разделив годовое потребление электроэнергии на число часов в году и отнеся половину из него на освещение (обоснование в [1]). Затем уменьшим эту половину на коэффициент сокращения (1-0,65), где 0,65 - это доля теплопоступлений от освещения в летнее время по сравнению со среднегодовым значением [2]. Получим7 для Квартиры 1 величину qвн.ох.кв.1, равную 16,2 Вт/м2, а для Квартиры 2 - 10,8 Вт/м2.

Температура наружного воздуха начала/окончания охладительного периода, исходя из теплового баланса квартир, соответствует такой величине tн.ох, при которой теплопотери через наружные ограждения вместе с нагревом наружного воздуха для вентиляции до внутренней расчетной температуры охладительного периода tв.ох = 24°C будут равны внутренним теплопоступлениям этого периода, и находится из уравнения теплового баланса по формуле (5).

Определение длительности охладительного периода8, в течение которого внутренние теплопоступления будут избыточны, производится с использованием СП 131.13330 «Строительная климатология». Для Квартиры 1 с заселенностью 20 м2/чел. zох.п.кв.1 = 117 сут. с 13 мая по 7 сентября. Для Квартиры 2 при пороговой температуре наружного воздуха tн.ох.кв.2 = 13,7 °C (с уменьшением доли внутренних теплопоступлений температура начала/окончания охладительного периода смещается в сторону более высоких значений) длительность охладительного периода составит zох.п.кв.2 = 105 сут. с 20 мая по 2 сентября.

В обоих случаях между отопительным и охладительным периодами наблюдаются переходные периоды, в течение которых также может требоваться охлаждение. В охладительный период внешние солнечные теплопоступления будут дополнительной нагрузкой к внутренним теплопоступлениям, поэтому солнечная радиация при расчете расхода энергии на охлаждение принимается в объеме вне отопительного периода (за охладительный и переходные периоды). Внешние теплопоступления рассчитываются, исходя из интенсивности солнечной радиации на вертикальные поверхности при действительных условиях облачности. Для Москвы9 за период с 1 мая по 30 сентября, т. е. в течение 153 сут., интенсивность солнца равна: на юге Iюг – 391 кВт•ч/м2; востоке/западе Iв/з – 359 кВт•ч/м2 и севере Iсев – 183 кВт•ч/м2. При длительности отопительного периода менее 7 мес. интенсивность этих теплопоступлений пересчитывается пропорционально увеличению количества дней вне отопительного периода.

Для Москвы учитываемые при определении расхода холода теплопоступления от солнечной радиации Qох.п.инс для двух вариантов квартир в зависимости от их ориентации сведены10 в табл. 1.

Таблица1
Показатель Ориентация Квартиры 1
(площадью 60 м2)
Ориентация Квартиры 2
(площадью 120 м2)
Юг Север Восток/
запад
Юг Север Восток/
запад
Теплопоступления от солнечной радиации
Qох.п.инс, кВт•ч
1643 769 1508 2915 1364 2676
Теплопоступления с внутренними тепловыде-
лениями Qвн.ох.п, кВт•ч
540 593
Годовые затраты холода Qохл., кВт•ч 1746* 2 048 2733* 3 269
Удельные годовые затраты холода на м2 общей площади квартир qох.п., кВт•ч/м2 29,1* 34,1 22,8* 27,2

* Ориентация север/юг.

С учетом того, что внутренние теплопоступления при температурах наружного воздуха ниже расчетной внутренней температуры 24 °C будут частично компенсировать теплопотери через наружные ограждения и с вентиляционным воздухообменом, при определении потребности в охлаждении будет участвовать оставшаяся часть, пропорциональная отношению разности внутренней температуры и средней наружной за охладительный период
tсрн.ох.п. к разности (tв.охtн.ох)11. Выполнив расчет, получаем Qвн.ох.п для Квартиры 1 равным 540 кВт•ч, для Квартиры 2 –
593 кВт•ч.

Из табл. 1 следует, что удельные годовые затраты холода на 1 м2 общей площади квартир для компенсации внутренних теплопоступлений за охладительный период и внешних за внеотопительный период, если принимать условно для дома в целом при ориентации юг/север (половина квартир ориентирована на юг, половина на север) и при ориентации восток/запад, оказались значительно выше полученной по методике США величины 8,2 кВт•ч/м2, исходя из ГСОхП = 340 °C•сут.

Зависимость между ГСОхП и удельными затратами холода в различных городах России

Cкзанное выше подтверждает правильность прямых расчетов затрат холода на кондиционирование воздуха, исходя из внутренних и внешних теплопоступлений, а градусо-сутки охладительного периода могут быть использованы для сопоставления потребности холода в разных регионах. Например, в Волгограде, находящемся южнее Москвы, определенные по той же методике ГСОхП равны 777 °C•сут., а в Сочи – 753 °C•сут. В Нью-Йорке (Бруклин), находящемся примерно на той же широте, что и Сочи, ГСОхП равны 827 °C•сут., а в Майами – самом южном городе США – 2 560 °C•сут. (среднее измерение между двумя аэропортами), что свидетельствует о большей нагрузке на кондиционирование в этом городе.

Проанализируем, есть ли зависимость между ГСОхП, рассчитанными по методике США, и удельными затратами холода для компенсации внутренних и внешних теплопоступлений, определенными по вышеприведенной методике. Для этого рассмотрим те же квартиры, но построенные в разных регионах России (12 городов), с учетом базовых показателей теплозащиты (для Москвы отличаются от предыдущего примера, рассчитанного по первому этапу), нормативных значений воздухообмена и удельной величины внутренних теплопоступлений. Результаты расчета приведены в табл. 2.

По результатам расчета построен график (рис. 1) изменения величины удельного годового расхода холода для кондиционирования МКД с ориентацией север/юг и восток/запад в соответствии с градусо-сутками охладительного периода, который показывает довольно приличную зависимость для десяти городов12. По графику для определения энергоэффективности строящегося здания или ожидаемого энергопотребления эксплуатируемого жилого дома в зависимости от величины градусо-суток охладительного периода региона строительства, определенного по методике США по программе «www. degreedays.net», можно найти величины удельного годового расхода холода для кондиционирования МКД. Например, с заселенностью 20 м2/чел. и ориентацией север/юг по зависимости
q год ох.п.МКД.с/юг = 25,6 + 0,025•ГСОхПСША; то же с ориентацией восток/запад: qгодох.п.МКД.в/з = 30,6 + 0,03•ГСОхПСША.

График изменения удельного годового расхода холода

Рисунок 1.

График изменения удельного годового расхода холода qхол для кондиционирования МКД с ориентацией юг/север и восток/запад в соответствии с градусо-сутками охладительного периода, определенными по методике США

Итак, предлагается методика расчета удельного годового расхода холода qхол для кондиционирования воздуха в многоквартирных домах центрального региона 13 России с учетом заселенности квартир, меридиональной или широтной ориентации здания с обеспечением нормативного воздухообмена и комфортного микроклимата в помещениях. На базе этой методики установлена зависимость qхол от ГСОхП при норме заселенности 20 м2/чел. Также данную методику можно принять за основу при определении удельного годового расхода холода для кондиционирования воздуха общественных зданий, используя исходные данные из [1].

Литература

  1. 1. Ливчак В. И. Исходные данные для расчета годового теплопотребления зданий в России // АВОК. 2015. № 5.
  2. 2. Ливчак В. И. Учет внутренних теплопоступлений в жилых домах // АВОК. 2013. № 6.

1 За рубежом используются сложные программы моделирования почасового энергопотребления с учетом нестационарности процессов теплопередачи в помещениях и изменения климата.

2 В соответствии с ISO 13790:2008(Е) Energy performance of buildings – Calculation of energy use for space heating and cooling (разделы 5.3–5.4).

3 Обозначаются в американской методике СDD – cooling degree days.

4 Двухкамерный стеклопакет с заполнением аргоном и мягким селективным покрытием внутреннего стекла, коэффициент затенения непрозрачными элементами τ1 = 0,8, коэффициент относительного пропускания солнечной радиации τ2 =0,54.

5 Для Квартиры 2, исходя из 30 м3/ч на человека, оказалось меньше 90 м3/ч.

6 СТО НОП 2.01–2014 «Требования к содержанию и расчету показателей энергетического паспорта проекта жилого и общественного здания», см. табл. В.4 (последняя строка).

7 Для Квартиры 1 qвн.ох. = 17 – [38 • 103 / 365 / 24 / 2 • (1 – 0,65)] = 16,2 Вт/м2; для Квартиры 2 qвн.ох. = 11,4 – [30 • 103 / 365 / 24 / 2 • (1 – 0,65)] = 10,8 Вт/м2.

8 Расчет приводится в приложении 1 к статье.

9 Согласно МГСН 4.19–2005 «Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве».

10 Расчет приводится в приложении 2 к статье.

11 См. формулу в приложении 2 к статье.

12 Астрахань с максимальным значением ГСОхП и Сочи с минимальным значением ГСОП выпали из этой зависимости и исключены как показатели с максимальными отклонениями от аппроксимирующей линии в большую и меньшую стороны.

13 Для регионов, где интенсивность солнечной радиации и влажность наружного воздуха отличаются от центрального района России, следует вводить поправочный региональный коэффициент.

Приложение 1

Определение длительности охладительного периода для МКД

Итак, температура наружного воздуха начала/окончания охладительного периода, исходя из теплового баланса квартир (когда теплопотери через наружные ограждения и на нагрев нормативного воздухообмена для вентиляции квартиры становятся равными внутренним теплопоступлениям) для 1-ой квартиры с плотностью заселения 20 м2 площади квартир на человека составила tн.ох.кв.1 = 12,6°C; для 2-ой квартиры с плотностью заселения 40 м2/человека - tн.ох.кв.2 = 13,7°C.

Учитывая, что согласно СП 131.13330 среднесуточная температура наружного воздуха в мае составляет 13,0°C, а в апреле 6,4°C, то 12,6°C      наступит на (13,0-12,6)/(13,0-6,4)/30 = 2 дня раньше 15 мая, то-есть, начало охладительного периода начнется 13 мая. Аналогично, если среднесуточная температура наружного воздуха в августе составляет 16,8°C, а в сентябре 11,1°C, то 12,6°C наступит на (12,6-11,1)/(16,8-11,1)/30 = 8 дней раньше 15 сентября, то есть, окончание будет 7 сентября. И тогда охладительный период, в течение которого внутренние теплопоступления будут избыточны, включает для квартиры с заселенностью 20 м2/человека zох.п.кв.1 = 117 суток с 13 мая по 7 сентября. Соответственно, во 2-ом случае при пороговой температуре наружного воздуха tн.ох.кв.2 = 13,7°C (с уменьшением доли внут-ренних теплопоступлений температура начала/окончания охладительного периода смещается в сторону более высоких значений) длительность охладительного периода составит zох.п.кв.2 = 105 суток с 20 мая по 2 сентября.

Приложение 2

Расчеты по определению годовых затрат холода для МКД

Поскольку солнечная радиация при расчете расхода энергии на охлаждение принимается в объеме вне отопительного периода (за охладительный и переходные периоды). Внешние теплопоступления рассчитываются, исходя из интенсивности солнечной радиации на вертикальные поверхности при действительных условиях облачности для Москвы за период с 1 мая по 30 сентября, то-есть в течение 153 суток: на юг – Iюг = 391 кВт·ч/м2; восток/запад – Iв/з = 359 кВт·ч/м2 и север – Iсев = 183 кВт·ч/м2 (в соответствии с МГСН 4.19–2005. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве). При длительности отопительного периода менее 7 месяцев, интенсивность этих теплопоступлений пересчитывается пропорционально увеличению количества дней вне отопительного периода.

Для Москвы, учитываемые при определении расхода холода, теплопо-ступления от солнечной радиации для 2-х вариантов квартир в зависимости от их ориентации составят:

Qох.п.инс.кв.1.юг год = 391·9,3·0,8·0,54·(365-205)/153 = 1643 кВт·ч;

Qох.п.инс.кв.1.сев год = 183·9,3·0,8·0,54·(365-205)/153  = 769 кВт·ч;

Qох.п.инс.кв.2.юг год = 391·16,5·0,8·0,54·(365-205)/153  = 2915 кВт·ч;

Qох.п.инс.кв.2.сев год = 183·16,5·0,8·0,54·(365-205)/153  = 1364 кВт·ч;

Qох.п.инс.кв.1.в/з год = 359·9,3·0,8·0,54·(365-205)/153  = 1508 кВт·ч;

Qох.п.инс.кв.2.в/з год = 359·16,5·0,8·0,54·(365-205)/153  = 2676 кВт·ч.

Учитывая, что внутренние теплопоступления при температурах наружного воздуха ниже расчетной внутренней температуры 24°C будут частично компенсировать теплопотери через наружные ограждения и с вентиляционным воздухообменом, то при определении потребности в охлаж-дении будет участвовать оставшаяся часть, пропорциональная отношению разности внутренней температуры и средней наружной за охладительный период tн.ох.п.ср к разности (tв.ох  - tн.ох):

Qвн.ох.п.год = qвн.ох · Аж · zох.п · 24·10-3 · [1 – (tв.ох - tн.ох.п.ср) / (tв.ох - tн.ох)]

Тогда, с учетом tн.ох.п.кв.1ср =16,7°C и tн.ох.п.кв.2ср =17,1°C (из СП 131.13330):   

Qвн.ох.п.кв.1 год = 16,2·33·117·24·10-3·[1 - (24-16,7) / (24-12,6)] = 540 кВт·ч;

Qвн.ох.п.кв.2 год = 10,8·66·105·24·10-3·[1 - (24-17,1) / (24-13,7)] = 593 кВт·ч.                            

Примечание. Дополнительными теплопоступлениями за счет повышения температуры наружной поверхности ограждений из-за облучения их солнцем пренебрегаем, поскольку мы рассматриваем квартиры в домах с «теплым чердаком», в которых повышение температуры на покрытии чердака не влияет на теплопоступления в квартиры, а дополнительные теплопоступления через стены  составляют менее 1,5%.

Итого, годовые затраты холода для компенсации внутренних  теплопоступлений за охладительный период и внешних за внеотопительный период 2-х и 4-х комнатной квартирах с заселенностью в 20 и 40 м2/человека, принимая условно для дома в целом при ориентации с/юг (половина квартир ориентирована на юг, половина на север) и при ориентации в/з, составят:

Qохл.кв.1.с/юг год = 540 + (1643 + 769)/2 = 1746 кВт·ч;

Qохл.кв.2.с/юг год = 593 + (2915 + 1364)/2 = 2733 кВт·ч;

Qохл.кв.1.в/з год = 540 + 1508 = 2048 кВт·ч;

Qохл.кв.2.в/з год = 593 + 2676 = 3269 кВт·ч;

а удельные годовые затраты холода на м2 общей площади квартир:

q ох.п.кв.1.с/юг. год = 1746 / 60 = 29,1 кВт·ч/м2;

q ох.п.кв.2.с/юг. год = 2733 /120 = 22,8 кВт·ч/м2;

q ох.п.кв.1.в/з. год = 2048 / 60 = 34,1 кВт·ч/м2;

q ох.п.кв.2.в/з. год = 3269 /120 = 27,2 кВт·ч/м2

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

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №7'2015

распечатать статью распечатать статью PDF pdf версия


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