В проблеме энергосбережения и энергоэффективности давно пора переходить к делу и обоснованным расчетам. А для этого надо уметь объективно вычислять годовые расходы теплоты, холода и влаги на увлажнение с учетом многих факторов и обстоятельств.

19. Объясните, на основе каких исходных данных и формул правильно вести расчеты годовых расходов в СКВ и СВ, и есть ли в этом свои «подводные камни»?

Конечно, есть. Не все так просто, как кажется. Еще со времен учебы в институте, а, точнее, ранее из школьного курса физики, всем известна формула для расчета количества теплоты. Она, бесспорно, правильна и не обсуждается. С другой стороны, она никак не привязана к условиям нагрева в СКВ и СВ, необходимого только потому, что в систему вводят то или иное количество холодного наружного воздуха. Только один специалист, профессор A.A. Рымкевич [6], давно обосновал и предложил мгновенные расходы записывать и вычислять по-другому, а именно через исходные данные. Напомним читателю, что к исходным данным объекта относят внутренние и наружные параметры воздуха вообще и в момент вычисления расходов, нагрузки помещения (тепловую, влажностную), расход наружного воздуха, потери теплоты и массы (утечки), вредные нагревы и др. К сожалению, эта методика до сих пор не привилась ни на кафедрах, ни в проектной практике, что вызывает большое сожаление.

В расчетах, однако, не всегда учитывают, что энергетические показатели систем не однозначны, т.к. зависят от ряда факторов и решений и могут существенно различаться, например, при наличии или отсутствии управления, при разных видах систем и способах обработки воздуха. Для экономических показателей имеют значение изменяющиеся ступенчато во времени тарифы, штрафы, льготы, плата за подключение энергоносителей и др., придающие задаче оптимизации динамический характер.

Минимально-неизбежные показатели (расходы) СКВ и СВ, по A.A. Рымкевичу [6], есть значения, достижимые в идеализированной центральной воздушной системе при отсутствии каких-либо ограничений. Они определяются по формулам, записанным ниже (1)-(5). При такой форме представления учтены отдельные слагаемые расходов, можно оценить их доли в общей сумме, выполнить анализ изменения и путей их сокращения.

При нагреве до энтальпии:
Q_т = G_н.min(i_p - i_н) — Q_пом - i_параG_вл.пом  (1)
при нагреве до температуры:
Q_т = G_н.minc_в(i_p - i_н) — Q_пом   (1`)
Q_х = Q_пом + Q_вл i_пара — G_н(i_р — i_н)   (2)
Q_увл = G_н.min(d_р — d_н) — Q_вл.пом       (3)
G_осуш = G_н (d_н— d_р) +G_вл.пом        (4)
N_эл = G_прP_вент/ρ_в  (5)

Фактические значения показателей (расходов) могут отличаться от минимально-неизбежных по разным причинам: за счет потерь энергии в вентиляторе (η_в < 1), двигателе (η_да < 1), нагреве приточного воздуха:

потерь воздуха по трассе (ΔL_ут > 0), уноса влаги при осушении за контактный (смесительный) аппарат и ее нежелательного испарения (ΔG_вл > 0), незавершенности процесса в контактном аппарате (Е < 1), своеобразного направления процесса в воздухоохладителе-испарителе холодильной машины ( ξ > 1), потерь теплоты, холода и влаги в системе и других причин. На практике широко применяются формулы для расходов в другой традиционной форме — не через исходные данные, однако они не имеют таких преимуществ и не применимы для анализа. В частности, остается неясным, как инженеры в этих расчетах учитывают изменяющиеся от минимума до максимума тепло- и влаговыделения.

Система формул (1)-(4) является основой для определения необходимости каждого из аппаратов СКВ (например, нагревателя, охладителя-осушителя, увлажнителя) и, тем самым, выбора технологической схемы системы [ 12,11, т. I] без использования i-d-диаграммы влажного воздуха.

20. Какая климатологическая информация нужна для расчета годовых расходов теплоты, холода и влаги СКВ и СВ? Всегда ли она одинакова и от чего зависит?

Конечно же, нет. Прежде всего, она зависит от пункта проектирования. Наиболее подробные сведения для разных пунктов можно найти в основном документе — «Научно-прикладном справочнике по к/шмату СССР» [4], который по мере накопления метеоданных периодически переиздается. О его содержании и широких возможностях применения можно получить предварительное представление из нижеследующего оглавления.

Краткое содержание выпусков «Научно-прикладного справочника по климату СССР»

Предисловие. Сборная карта выпусков, список метеорологических станций, карта метеорологических станций. Пояснения к таблицам.
Часть 1. Солнечная радиация (раздел 1) и солнечное сияние (раздел 2).
Часть 2. Температура воздуха (раздел 1) и почвы (раздел 2).
Часть 3. Ветер (раздел 1) и атмосферное давление (раздел 2).
Часть 4. Влажность воздуха, парциальное давление водяного пара, относительная влажность воздуха, дефицит насыщения (раздел 1). Осадки (раздел 2). Снежный покров (раздел 3).
Часть 5. Облачность (раздел 1). Атмосферные явления, туманы, грозы, метели, град (раздел 2). Гололедно-изморозевые образования (раздел 3).
Часть 6. Комплексы метеорологических величин. Температура воздуха — относительная влажность (раздел 1). Температура воздуха — скорость ветра
(раздел 2). Таблицы климатических характеристик для частей 1-6.

Кроме этого справочника, имеются и другие многочисленные издания, содержащие в той или иной мере нужную информацию о климате, например, СНиП II А.6-72, серия книг «Климат городов» и др.

О точности и вариантах методик расчетов

Специалисты давно сошлись на мысли, что на разных стадиях разработки систем микроклимата (предпроектные предложения, проектная или рабочая документация) не требуется одинаково высокая точность расчета годового энергопотреб-ления. Поэтому при предварительной проработке (предпроектные предложения) можно использовать более простые и приближенные методы. На последних стадиях, где погрешность расчета энергопотребления (обычно полагают, что она допустима ±10%) должна быть соизмерима с погрешностью расчета капитальных затрат (около ±10%), необходимы более точные методы.

За последние десятилетия методиками расчетов расходов теплоты, холода и влаги в СКВ и СВ в той или иной мере за-нимались Л.Б. Успенская, А.Я. Креслинь, А.М. Сизов, Т.И. Садовская, Е.Е. Карпис, П.В. Участкин, Ю.Г. Шабловский, В.Н. Богословский, Ю.Я. Кувшинов, Б.Г. Шпиз, A.A. Рымкевич, Н.В. Котенков, Н.В. Кобышева, В.Э. Ницис, автор (A.C.) и др. Перечисленные авторы использовали различные виды климатической информации, от самых простых и оценочных до наиболее сложных и точных. Представление о возможностях современной климатологии и видах климатологической информации можно получить из приводимой блок-схемы (рис. 3).

Строго говоря, для наиболее полного учета климатической информации в решении рассматриваемых проблем следует использовать многомерные распределения срочных значений метеорологических величин за год (эмпирические или их теоретическое описание), изложенные в работах А.М. Сизова [7-9], Т.В. Катковой [2], Г.В. Карпухина и Н.В. Кобышевой [1] и др. В работе [3] увязаны энергосбережение при работе СКВ и характеристики климата, кроме того, в ней представлены требования к информации при разной сменности и других условиях работы объекта.

Однако, такая информация для практических расчетов чаще всего недоступна, и поэтому в ряде случаев стараются воспользоваться упрощенными методами. Это объясняется тем, что составляющие расчетных формул зависят не от всего комплекса метеорологических величин, а от одного основного параметра (например, температуры наружного воздуха), и в некоторой, обычно меньшей, мере — от другого (например, солнечной радиации, которую можно «привязать» к температуре наружного воздуха).

Можно представить такую последовательность расчетов. Первоначально рассматривают зависимость: средняя плотность потока падающей радиации на горизонтальную поверхность - температура наружного воздуха (на уровне среднемесячных). После этого учитывают взаимосвязь потока радиации на вертикальную поверхность заданной ориентации и на горизонтальную поверхность [5, 13]. Точно так же можно «привязать» к температуре наружного воздуха и скорость ветра по направлениям. Таким методом можно с достаточной точностью заменить сложную трехмерную задачу и климатологическую информацию существенно более простой — одномерной.

Комплексная методика расчетов была подготовлена автором (A.C.) для издания в Госстрое СССР еще в конце 1980-х годов [10], но в дальнейшем что-то помешало ее публикации. В этой работе были обоснованы область применения и основные случаи использования метода расчета, описанные в данной главе. В частности, годовые расходы теплоты, холода, электроэнергии и воды по этой методике можно определять для:

• различных пунктов территории России и бывшего СССР;
• разного сочетания помещений здания и обслуживающих их систем;
• разных параметров воздуха в помещении, постоянных или переменных тепловлажностной и парогазовой нагрузок помещения, систем постоянной (CAV) или переменной (VAV) производительности по воздуху;
• совмещения СКВ или СВ с отоплением или независимой работы этих систем в холодный период года;
• разного оборудования систем (местные автономные и неавтономные, центральные кондиционеры, доводчики разных типов, водяные и паровые увлажнители);
• разного функционального назначения и условий использования аппаратов тепловлажностной обработки воздуха;
• разного алгоритма функционирования систем в течение года (см. далее);
• разных решений по управлению аппаратами и нагнетателями систем, в т.ч. неуправляемых;
• работы систем в разных режимах при разной производительности и обработке воздуха в рабочее и нерабочее время, при разной сменности.

Дадим комментарии к методике расчета годового расхода холода на охлаждение-осушение воздуха. Он может выполняться по-разному, в зависимости от:

• границы режима охлаждения-осушения воздуха: изотермы или изоэнтальпии; первый случай имеет место, если система поддерживает только температуру воздуха, а влажность находится в комфортном диапазоне или поддерживается паровым увлажнителем, второй случай имеет место, если в помещении поддерживают строго заданные температуру и влажность при использовании изоэнтальпийного увлажнения;
• метода расчета — используют один из двух методов: раздельное определение расхода холода на охлаждение Q_x(t_н) и осушение Q_x(d_н) с последующим суммированием полученных величин или определение расхода холода в функции от энтальпии наружного воздуха;
• специального учета при расчете годовых расходов холода, с каким расходом наружного воздуха работает система: G_н.min, если i_н > i_p или G_н.max = G_пр, если имеет место i_н < i_p.

Описанные выше случаи определения годовых расходов холода поясняет рис. 1 с построением границ режимов в i-d-диаграмме влажного воздуха.

21. Наиболее сложный для меня вопрос — как связана технологическая схема СКВ и алгоритм функционирования с режимами работы системы и требованиям к климатологической информации?

Действительно, это самый сложный вопрос. Дело в том, что проектирование, несмотря на всю критику, по-прежнему ведется «на две точки», т.е. для расчетных летних и зимних расчетных наружных параметров. При таком подходе инженер не представляет режимы, т.е. определенные сочетания исходных данных, приводящие к той или иной последовательности процессов тепловлажностной обработки воздуха. В простейшем случае в СКВ применяется либо нагрев, либо охлаждение, или охлаждение-осушение воздуха. В этом случае существуют граничные температуры, хотя и разные, зависящие от нагрузок, ниже которых неизбежен нагрев, а выше - охлаждение; тогда требуется информация только о повторяемости наружных температур и связанной с ней радиации.

В более сложных случаях технологическая схема СКВ с рециркуляцией может содержать воздухонагреватель первого и второго подогрева, воздухоохладитель, увлажнитель. Число регулирующих клапанов (воздействий) в системе управления может достигать пяти-шести, если учитывать оппозитно-работающие воздушные клапаны наружного и рециркуляционного воздуха, а также устройство управления производительностью вентиляторов. При этом число комбинаций
режимов работы этих устройств в такой системе, согласно рис. 2в, может достигать 12-ти [6]. Более детально режимы работы СКВ в разных условиях можно представить из рис. 2 [11]. Границы отдельных режимов, в i-d-диаграмме это т.н. «зоны», указывают на то, в каких двумерных интервалах нужно иметь информацию о повторяемости, например, Δi_н-Δd_н и др. Необоснованное упрощение этих закономерностей приводит, в конечном счете, к искажению величин искомых годовых расходов.

Таким образом, чем проще технологическая схема СКВ и СВ, чем меньше в ней тепло- и массообменных аппаратов, тем меньше число комбинаций и режимов работы такой системы, проще алгоритм функционирования и поэтому требуется более доступная климатологическая информация в виде одномерных распределений. Большинство технологи-ческих схем СКВ и СВ отвечают этому условию и расчет годовых расходов оказывается менее сложным. Обсуждение этой актуальной темы будет продолжено в следующем номере журнала.

1. Карпухин Г.В., Кобышева Н.В. Трехмерное распределение как одна из основных форм представления информации для строительного проектирования // Труды ГГО им. А.И. Воейкова. Вып. 458. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
2. Каткова Т.Ф. Некоторые характеристики комплекса температуры и относительной влажности воздуха (в годовой совокупности) на территории СССР // Труды НИИАК. Вып. 83. — М., 1973.
3. Коченков Н.В., Кобышева Н.В., Клюева М.В. Энергосберегающие режимы в СКВ и характеристика климата — взаимосвязанные задачи // Инженерные системы, №3(24)/2006, АВОК Северо-Запад.
4. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Ч. 1-6. Вып. 1-35. — Л.: Гидрометеоиздат, 1990-1999.
5. Пивоварова З.И. Оценка суммарного прихода коротковолновой радиации на стены здания И Труды ГГО им. А.И. Воейкова. Вып. 321. — Л.: Гидрометеоиздат, 1973.
6. Рымкевич A.A. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха. Изд. 1. — М.: Стройиздат, 1990; Изд. 2. — СПб.: АВОК Северо-Запад,2003.
7. Сизов А.М. Форма представления климатологических данных в виде двумерных комплексов для проектирования СКВ // В кн.: Вентиляция и кондиционирование воздуха. Сб. №7. — Рига: РПИ, 1975.
8. Сизов А.М. Вероятностная модель наружного климата для расчета годовых расходов энергии СКВ // В кн.: Вентиляция и кондиционирование воздуха. Сб. №8. — Рига: РПИ, 1975.
9. Сизов А.М. Связь вероятностной модели наружного климата и эмпирических распределений параметров // В кн.: Вентиляция и кондиционирование воздуха. Сб. №8. — Рига: РПИ, 1975.
10. Сотников А.Г., Садовская Т.И. О проекте «Рекомендаций по расчету годовых расходов тепла, холода, электроэнергии и воды СКВ и СВ промышленных и гражданских зданий» // В кн.: Повышение экономической эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха. — Л.: ЛДНТП, 1987.
11. Сотников А.Г. Процессы, аппараты и системы кондиционирования воздуха и вентиляции / Теория, техника и проектирование на рубеже столетий. — СПб.: AT-Publiching. Т. I, 2005; Т. II, Ч. 1,2006; Т. II, 4.2,2007.
12. Сотников А.Г. Бездиаграммный выбор схемы СКВ // С.О.К.,№3/2011.
13. Стадник В.В., Гирбасова Л.В. Обобщение коэффициентов пересчета часовых сумм прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность // Труды ГГО им. А.И. Воейкова. Вып. 520. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988.

Автор: Автор: А.Г. СОТНИКОВ, д.т.н., Профессор