что такое параметры а и б наружного воздуха
Расчетные параметры наружного климата для проектирования систем холодоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха
Rated Outdoor Climate Parameters for Designing of Cold Supply, Ventilation and Air Conditioning Systems
A. S. Strongin, Candidate of Engineering, Scientific Research Institute of Building Physics of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences; V. A. Vorontsov, OOO Systemair; K. A. Kuznetsov, OOO Systemair
Keywords: outdoor climate parameters, cold supply, ventilation, air conditioning
Ventilation, cold supply and air conditioning systems responsible for maintaining optimal indoor climate conditions for public and production buildings are large consumers of material and energy resources. The refrigerating power of their systems can reach thousands of kilowatts, and their cost – tens of millions of rubles. Correct choice of design outdoor climate parameters during design of cold supply systems allows for saving on capital cost of their installation, as well as reduction of energy resources use in the course of their operation by 15–25 %.
Системы вентиляции, холодоснабжения и кондиционирования воздуха, обеспечивающие оптимальные условия микроклимата для общественных и производственных зданий, являются крупными потребителями материальных и энергетических ресурсов. Холодильная мощность систем может достигать несколько тысяч киловатт, а их стоимость – десятков миллионов рублей. Корректный выбор расчетных параметров наружного климата при проектировании систем холодоснабжения позволяет добиться экономии первоначальных затрат на их устройство, а также снизить потребление энергоресурсов в процессе эксплуатации на 15–25 %.
Расчетные параметры наружного климата для проектирования систем холодоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха
А. С. Стронгин, канд. техн. наук, Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН
Системы вентиляции, холодоснабжения и кондиционирования воздуха, обеспечивающие оптимальные условия микроклимата для общественных и производственных зданий, являются крупными потребителями материальных и энергетических ресурсов. Холодильная мощность систем может достигать нескольких тысяч киловатт, а их стоимость – десятков миллионов рублей. Корректный выбор расчетных параметров наружного климата при проектировании систем холодоснабжения позволяет добиться экономии первоначальных затрат на их устройство, а также снизить потребление энергоресурсов в процессе эксплуатации на 15–25 %.
Нормативные требования
Заданные параметры микроклимата в помещениях жилых, общественных, административно-бытовых и производственных зданий следует обеспечивать в пределах максимальных расчетных параметров наружного воздуха для соответствующих районов строительства, регламентируемых СП 131.13330.2018 и СП 60.13330.2016 [1, 2]:
Согласно СП 131.13330 параметры температуры и энтальпии для систем вентиляции и кондиционирования в теплый период года определяются как параметры Б. Температура при этом соответствует графе 4 в табл. 4.1, которая соответствует обеспеченности 98 %, а энтальпия определяется из рис. А.5 и имеет разброс параметров от нижнего до верхних значений. Учитывая, что разброс параметров энтальпии сильно влияет на подбор оборудования для систем вентиляции и кондиционирования, было решено проанализировать климатические данные за последние 10–20 лет для крупных городов и представительных районов РФ и составить таблицу с данными по температуре, энтальпии и абсолютному влагосодержанию воздуха.
Методика исследования
Для выбора расчетных параметров наружного климата (температуры, энтальпии и влагосодержания) использовались архивные данные о погоде, представленные на сайтах «Расписание погоды» и «метео.ру». Данные за весь период наблюдения отсортированы по выделенным граничным параметрам. Граничные параметры приняты с обеспеченностью 98 %, т. е. необеспеченность менее 175 час/год. Граничное значение выбирается за весь период наблюдения, далее выполняется сортировка по убыванию. Например, если период наблюдения составляет 11 лет, граничное значение необеспеченности: 11 • 175 = 1925 час.
С учетом данных температуры и влажности последних лет, которые имеются в виде измеренных параметров, фиксируемых каждые три часа, мы произвели расчет удельной энтальпии и абсолютного влагосодержания.
Таблица
Энтальпия и влагосодержание наружного воздуха в теплый период года для расчета номинальной мощности систем вентиляции и кондиционирования
Для расчета энтальпии и влагосодержания использовались формулы [3, 4].
Данные по абсолютному влагосодержанию, которые необходимы для расчета процессов осушения воздуха при вентиляции бассейнов [5] и аналогичных объектов, были независимо рассчитаны на обеспеченность 98 %.
Полученные результаты
Расчетные значения метеопараметров (удельная энтальпия и влагосодержание) регионов РФ представлены в таблице.
Кроме корректного выбора расчетных условий для определения максимальной мощности оборудования, для технико-экономического обоснования необходимо также учитывать изменение климатических параметров в течение года или сезона.
Европейский Союз разработал регламент снижения энергопотребления в зданиях экодизайна (Ecodesign). Экодизайн (экологическое проектирование) определяет новый подход к разработке продукции, поощряющий производителей учитывать экологический эффект продукта на протяжении всего жизненного цикла. При сертификации холодильного оборудования Eurovent применяет сезонный показатель энергоэффективности холодильного оборудования SEER, величина которого определяется отношением сезонной выработки холода Qх и сезонных затрат электроэнергии Qэл
Для расчета сезонных показателей используется БИН-метод (BIN method), позволяющий дифференцированно отражать текущую величину отношения наружной температуры воздуха и соответствующую ей величину загрузки оборудования. Для выбранного населенного пункта строится БИН-диаграмма (BIN diagram) часовой продолжительности наружных температур (ступенчатый годограф температур). Диаграмма разделяется на БИН-интервалы (ячейки) шириной 1 °С. Каждому пронумерованному интервалу соответствует: среднее значение текущей наружной температуры (БИН-температура), текущее потребление холода (загрузка оборудования), текущее значение холодильного коэффициента EER.
 |
Интегральный сезонный показатель рассчитывается суммированием текущих значений всех интервалов по формуле
где Qx, Qэл – соответственно, сезонное количество произведенного холода и затраченной электроэнергии, кВт•ч/сезон
где n – общее количество БИН-интервалов в сезоне с i-той температурой наружного воздуха (зависит от сезонного диапазона изменения температуры наружного воздуха и выбранной ширины ячейки),
где Qxi – количество холода, вырабатываемое холодильным оборудованием при i-той БИН-температуре наружного воздуха, кВт•ч;
qxi – текущая холодильная мощность единицы оборудования при i-той БИН-температуре наружного воздуха, кВт;
τi – количество часов длительности каждой БИН-температуры наружного воздуха, ч.
EERbin(i) – текущее значение холодильного коэффициента EER для каждой БИН-температуры и соответствующей величине загрузки оборудования.
Предлагаем аналогичный подход для оценки энергоэффективности и годового энергопотребления для всей системы холодоснабжения и кондиционирования, а не только ее отдельных элементов [6, 7]. Для различных объектов текущая мощность системы определяется не только текущей наружной температурой, но и удельной энтальпией и влагосодержанием, что требует построения соответствующих графиков (БИН-диаграмм).
На рис. 1 в качестве примера приведены рассчитанные нами по изложенной методике графики осредненных значений температуры, энтальпии и абсолютного влагосодержания, с отображением количества часов их продолжительности для теплого периода года во Владивостоке.
Для сравнения климатических параметров двух городов – Москвы и Владивостока, на рис. 2 приведены графические данные по количеству часов для значений энтальпии, а также указаны граничные значения параметров с обеспеченностью 98 %.
По нашему мнению, при подборе оборудования целесообразно учитывать значения с указанной обеспеченностью. Возможное превышение указанных значений составляет менее 175 час/год и происходит, как правило, несколько часов в течение суток, что не существенно влияет на микроклимат помещения вследствие тепловой инерции и теплоаккумулирующей способности наружных и внутренних ограждений здания. Одной из ошибок проектирования является переразмеренность оборудования при его расчете на более высокие метеопараметры, что негативно сказывается на экономических и энергетических характеристиках, а также на затратах для подведения избыточных электрических мощностей.
Сравнение графиков количества часов энтальпии для теплого периода года в Москве и Владивостоке с указанием границ обеспеченности 98 %
Использование реальных климатических данных позволяет сделать оценки затрат на эксплуатацию в течение года и оценить экономию при использовании оборудования с утилизацией энергии. Также можно сделать сравнение оборудования, которое имеет разные коэффициенты утилизации тепловой энергии и возможности эффективного охлаждения. Так, например, затраты на эксплуатацию в теплый период можно снизить в несколько раз за счет применения в вентиляционном оборудовании градирни c косвенным адиабатным охлаждением, которое позволяет охлаждать наружный воздух на 10–12 °C без изменения его влагосодержания и без использования компрессора холодильной машины.
Выводы
При подборе оборудования для систем вентиляции, холодоснабжения и кондиционирования значение температуры допустимо определять согласно графе 4 в таблице 4.1 СП 131.13330. Значение удельной энтальпии и абсолютного влагосодержания наружного воздуха в теплый период года следует принимать из приведенной в статье таблицы для представленных городов, а для других регионов целесообразно принимать максимальное значение энтальпии, указанное для данного региона в СП 131.13330.2018 (рис. А5).
Возможность использования реальных климатических данных позволяет оптимизировать подбор холодильного и вентиляционного оборудования, снизить его стоимость и расход энергоресурсов. Объективная оценка годовых эксплуатационных затрат, в первую очередь электроэнергии, наглядно демонстрирует экономическую эффективность использования энергосберегающего оборудования и схемных решений, способствует расширению его применения в практике проектирования.
Литература
Авторы выражают глубокую благодарность за сотрудничество М. В. Клюевой («ГГО»).
Нормирование параметров воздуха в помещениях
Параметры воздушной среды в помещениях, влияющие на самочувствие и здоровье людей, определяются микроклиматом и наличием в ее составе вредных веществ.
Рабочей зоной считается пространство высотой 2м от уровня пола или площадки, в котором находятся места постоянного или непостоянного пребывания рабочих. Постоянным считается рабочее место, на котором работающий находится бóльшую часть (более 50 % или более 2 ч непрерывно) своего рабочего времени. Параметры микроклимата в жилых, общественных и административно-бытовых помещениях определяются строительными нормами СНиП 41–01–2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха».
Нормирование параметров микроклимата
Гигиеническими нормами регламентируются следующие параметры микроклимата в рабочей зоне производственных помещений: температура, относительная влажность и скорость движения воздуха, а также температура поверхностей окружающих тело человека конструкций и предметов (стены, полы и потолки помещения, производственное оборудование, предметы труда и т. п.). Нормирование осуществляется с учетом времени года и интенсивности производимой человеком работы. Согласно ГОСТ 12.1.005–88, различают холодный и теплый периоды года.
Иногда рассматривают также переходной период, характеризуемый среднесуточной температурой наружного воздуха +10ºС. Исходя из общих энергозатрат организма при учете интенсивности труда все виды работ разделяют на три категории:
Для рабочей зоны производственного помещения согласно действующим нормативным документам устанавливаются оптимальные и допустимые параметры микроклимата. Оптимальные (рекомендуемые) параметры представляют собой наиболее благоприятные условия для наилучшего самочувствия человека (критерий комфорта) или для правильного протекания различных технологических процессов (технологический критерий). Оптимальные параметры микроклимата по критерию технологичности регламентируются отраслевыми документами. Так, для цехов точного машиностроения оптимальная температура составляет 20 ± 0,5 ºС, а оптимальная относительная влажность – 45…50 %. Оптимальные параметрымикроклимата по критерию комфорта (табл. 1.1) обеспечивают состояние теплового баланса при взаимодействии человека с окружающей средой, не вызывают напряжений в работе системы терморегуляции организма и создают предпосылки для высокого уровня работоспособности. Такие параметры, например, необходимо соблюдать в производственных помещениях, где выполняются работы операторского типа, связанные с нервно-эмоциональным напряжением (в кабинах, на пультах и постах управлений технологическими процессами, в залах вычислительной техники).
Оптимальные значения параметровмикроклимата на рабочих местах производственных помещений
воздуха, м/с, не более
ность воздуха, %
Оптимальные параметры микроклимата обеспечиваются, как правило, системами кондиционирования воздуха. Допустимые (обязательные) параметры микроклимата устанавливаются в тех случаях, когда по техническим и экономически обоснованным причинам не могут быть обеспечены оптимальные условия. Допустимые параметры микроклимата устанавливаются для 8-часовой рабочей смены при условиях, что они не должны вызывать нарушений состояния здоровья человека, но могут приводить к возникновению общих и локальных ощущений теплового дискомфорта, напряжению механизмов терморегуляции, ухудшению самочувствия и понижению работоспособности (табл. 1.2).
Допустимые значения параметровмикроклимата на рабочихместах производственных помещений по СанПиН 2.2.4.548–96
для tв tопт,
не более
Iб
IIа
IIб
III
19,0–20,9
17,0–18,9
15,0–16,9
13,0–15,9
23,1–24,0
21,1–23,0
19,1–22,0
18,1–21,0
15–75
15–75
15–75
15–75
0,1
0,1
0,2
0,2
0,2
0,3
0,4
0,4
Iб
IIа
IIб
III
20,0–21,9
18,0–19,9
16,0–18,9
15,0–17,9
24,1–28,0
22,1–27,0
21,1–27,0
20,1–26,0
15–75
15–75
15–75
15–75
0,1
0,1
0,2
0,2
0,3
0,4
0,5
0,5
При температуре воздуха на рабочих местах t в ≥ 25 ºС относительная влажность воздуха φ не должна выходить за пределы: 70 % – при t в = 25 ºС; 65 % – при t в = 26 ºС; 60 % – при t в = 27 ºС; 55 % – при t в = 28 ºС.
При температуре воздуха, выходящей за допустимые пределы, время пребывания на рабочих местах должно быть ограничено так, чтобы среднесменная температура воздуха, соответствующая нахождению работающих на рабочих местах и в местах отдыха, не выходила за пределыдопустимых норм, указанных в табл. 1.2.
Среднесменную температуру воздуха в t рассчитывают по формуле
где n – число мест работы и отдыха за смену; t 1, t 2,…, t n и τ 1, τ 2, …, τ n – соответственно температура воздуха, ºС, и время пребывания, ч, на местах работы или отдыха; 8 – продолжительность рабочей смены, ч. Для непроизводственных помещений допустимые значения параметров микроклимата приведеныв табл. 1.3.
Допустимые значения параметровмикроклимата в обслуживаемой зоне жилых, общественных и административно-бытовых помещений по СНиП 41–01–2003
| Период года | Температура воздуха, oС | Относительная влажность воздуха, %, не более | Скорость движения воздуха, м/с,не более |
| Теплый | Не более чем на 3 ºС выше расчетной температуры наружного воздуха (параметр А)* | 65*** | 0,5 |
| Холодный | 18**–22 | 65 | 0,2 |
Для помещений с постоянным пребыванием людей температура должна быть не более 28 oС, а в районах с расчетной температурой наружного воздуха 25 oСи выше ― не более 33 oС.
**Для помещений с пребыванием людей в верхней одежде следует принимать температуру 14 oС.
***В районах с расчетной влажностью наружного воздуха более 75 % допускается принимать влажность до 75 %.
Представленные в табл. 1.3 нормы установлены для людей, находящихся в помещении более 2 ч непрерывно. Гигиеническое нормирование содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Вредными являются вещества, которые при контакте с организмом человека могут вызвать производственные травмы, профессиональные заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые как в период работы, так и в отдаленные сроки жизни настоящего или последующих поколений. Выделяющиеся на производстве вредные газыи парыобразуют с воздухом газо-и паровоздушные смеси, а жидкие и твердые частицы – аэрозоли. Аэрозоли называют туманами, если они образованы каплямижидкости, и пылями, если они образованы твердыми частицами.
Основным нормирующим показателем содержания вредных веществ в воздухе рабочей зоны являются их предельно допустимые концентрации (ПДК). ПДК– это максимальное содержание вредного вещества, выраженное в миллиграммах, в одном кубическом метре воздуха, которое при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 ч или другой продолжительности, но не более 41 ч в неделю в течение всего рабочего стажа, не может вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования в процессе работы или отдаленные срокижизни настоящего или последующих поколений.
Вредные вещества по степени опасности разделены на четыре класса:
По характеру воздействия на организм человека вредные вещества подразделяют на общетоксические, вызывающие отравление всего организма или поражающие отдельные его органы (свинец, ртуть, мышьяк, бензол, толуол и др.); раздражающие, вызывающие раздражение слизистых оболочек дыхательных путей, глаз, кожи (кислоты, щелочь, хлор, фтор-, серо- и азотсодержащие соединения); сенсибилизирующие, действующие как аллергены (платина, альдегиды, различные растворители, лаки на основе нитросоединений и др.); канцерогенные, вызывающие злокачественные опухоли (мазут, гудрон, битум, хром, никель, асбест и др.); мутагенные, приводящие к генетическим изменениям (свинец, марганец, формальдегид, радиоактивные изотопы); влияющие на репродуктивную (детородную) функцию (ртуть и ее соединения, свинец, стирол, бензол, сероуглерод, радиоактивные изотопы).
Вредные вещества, которые влияют на одни и те же системы организма, называют однонаправленными. В противном случае вредные вещества являются разнонаправленными. Эта особенность имеет важное значение для оценки совместного воздействия вредных веществ на организм человека. При действии однонаправленных веществ их концентрации должны удовлетворять условию
Для разнонаправленных веществ это условие упрощается и сводится к тому случаю, когда бы они действовали раздельно: qi ≤ ПДКi
Гигиеническое нормирование содержания углекислого газа в воздухе помещения
Углекислый газ (СО2) относится к основным видам вредных выделений в жилых, общественных и производственных помещениях. Нередко отмечающиеся в закрытых помещениях духота и нехватка кислорода в первую очередь связаны с повышением содержания в воздухе углекислого газа. В состоянии покоя организм человека поглощает около 20 л кислорода в час и выделяет примерно 20 л углекислого газа. Количество выделяемого углекислого газа зависит от возраста человека и характера выполняемой работы (табл. 1.5).
Количество углекислого газа (СО2), выделяемого организмом человека
| Единица измерения | Взрослые | Дети | ||
| При физической работе | В состоянии покоя | |||
| тяжелой | легкой | |||
| г/ч | 68 | 45 | 35 | 18 |
| л/ч | 45 | 30 | 23 | 12 |
Углекислый газ играет важную роль в функционировании организма, участвуя в регуляции дыхания, кровообращения, газообмена. При недостатке углекислого газа, что соответствует его концентрации менее 0,003 %, расстраивается нормальное функционирование указанных органов. При избытке углекислого газа, когда его концентрация доходит до 1,5%, ощущаются головокружение и головные боли, при концентрациях 5…6 % отмечаются значительное учащение дыхания, тошнота, понижение температуры тела. При дальнейшем повышении концентрации газа возможно наступление смерти от остановки дыхания. Концентрация углекислого газа в наружном воздухе зависит от типа местности (табл. 1.6).
Концентрация углекислого газа (СО2) в наружном воздухе
| Единица измерения | Тип местности | ||
| сельская | поселки | города | |
| г/м3 | 0,6 | 0,7 | 0,9 |
| л/м3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 |
Допустимая концентрация углекислого газа СО2 в помещении зависит от вида помещения и продолжительности пребывания в нем людей (табл. 1.7).
Допустимые концентрации углекислого газа (СО2) в воздухе помещений
| Единица измерения | Помещения с пребыванием людей | |||
| постоянным | периодическим | кратковременным | ||
| в жилых домах | в больницах | |||
| г/м3 | 1,5 | 1,0 | 1,75 | 3,0 |
| л/м3 | 1,0 | 0,7 | 1,25 | 2,0 |
Нормализацию газового состава воздуха в помещении осуществляют путем организации притока наружного воздуха. Действующими санитарными нормами в зависимости от удельного объема помещения регламентируется подача на одного человека 20…60 м3/ч свежего приточного воздуха.
Расчетные параметры наружного воздуха
В качестве расчетных параметров наружного воздуха используют так называемые параметры А и Б. Эти параметрыопределяют следующим образом.
Для холодного периода года:
Для теплого периода года:
Расчетные значения параметров наружного воздуха для Москвы
| Период года | Параметры | Температура воздуха, ºС | Удельная энтальпия, кДж/кг | Скорость ветра, м/с | Среднесуточная амплитуда температуры, ºС | Барометрическое давление, кПа |
| Теплый | А | 22,3 | 49,4 | 1 | 10,4 | 99 |
| Б | 28,5 | 54 | 1 | — | 99 | |
| Холодный | А | –15 | –11,4 | 4,7 | 99 | |
| Б | –26 | –25,3 | 4 | 99 |
Значения параметров А и Б для большого числа городов приведены в СНиП 2.01.01–82 «Строительная климатология и геофизика». Для Москвы с расчетной географической широтой 56º с. ш. эти значения представлены в табл. 1.8.