расчетные наружные параметры климата
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»).
Параметры наружного климата
Воздействие отдельных метеорологических элементов на тепловой, влажност- ный и воздушный режим здания и работу его инженерных систем является комплексным.
При проектировании и в процессе эксплуатации здания возникает ряд задач, решение которых сопряжено с использованием различных по номенклатуре и объему климатологических данных.
Основу климатологической информации составляют регулярные непрерывные измерения метеоэлементов в сети метеостанций. На станциях измеряют температуру воздуха и поверхности грунта, эффективное излучение, скорость и направление ветра, относительную влажность воздуха и барометрическое давление, а также интенсивность прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность.
Ряд климатических параметров, таких как парциальное давление водяного пара, влагосодержание и энтальпия воздуха, интенсивность радиации на вертикальные и наклонные поверхности разной ориентации рассчитывают, используя имеющиеся значения измеряемых параметров.
Появление того или иного значения параметров обусловлено большим числом факторов и носит случайный характер. Поэтому для обобщения метеорологических элементов и получения тех или иных климатических параметров используются положения теории вероятностей и методы математической статистики.
При решении задач теплофизики здания и систем обеспечения микроклимата можно выделить два вида требуемой климатической информации: в расчетных и эксплуатационных условиях.
Под расчетными понимаются наиболее неблагоприятные погодные условия, при которых выбирается теплозащита здания и установочная мощность (производительность) систем обеспечения микроклимата. Расчетным условиям соответствует комплекс параметров наружного климата, за пределами которых система заведомо не обеспечивает поддержание расчетных параметров микроклимата.
Эксплуатационные условия характеризуются изменением параметров наружного климата во времени суток и года в интервале от расчетных летних до расчетных зимних и наоборот.
Для горизонтальной поверхности
; (4.11)
для вертикальной поверхности
(4.12)
для наклонных поверхностей
, (4.13)
где
— азимут поверхности, град;
часовой угол, град;
графическая широта местности, град;
— склонение солнца, град;
— угол наклона поверхности к горизонту, град.
Используя в качестве измеренной интенсивность прямой радиации на горизонтальную поверхность, коэффициент пересчета прямой радиации на вертикальные поверхности равен
Рассеянная солнечная радиация при средних условиях облачности одинаково распределена на поверхности разной ориентации. При безоблачном небе интенсивность рассеянной радиации на вертикальной поверхности оказывается разной для ограждений, облучаемых солнцем и находящихся в тени.
Сумма рассеянной и отраженной радиации называется диффузной радиацией. Интенсивность отраженной радиации зависит от конкретных условий застройки и ее расчет представляет определенные трудности. Поэтому в расчете принимают отраженную радиацию в количестве 20 % от рассеянной на горизонтальную. Эта величина соответствует среднему альбедо (отношению отраженного потока к падающему в %) поверхности земли (альбедо асфальта 18,5 %, старого снега 46 %,травы 19-26 %, пашни 14-26 %, леса 12-19 %).
При расчете интенсивности рассеянной радиации следует учитывать, что облученность вертикальной поверхности небосводом составляет 0,5, а горизонтальной 1. С учетом изложенного получим формулу для расчета диффузной радиации на произвольно расположенную поверхность
(4.14)
Коэффициенты пересчета интенсивности среднесуточной прямой солнечной радиации
и
для горизонтальной поверхности.
Парциальное давление водяного пара рассчитывается по данным измерения относительной влажности по формуле
Влагосодержание наружного воздуха d, г/кг:
где
— барометрическое давление, Па (мм рт.ст.).
Теплосодержание наружного воздуха I, кДж/кг:
(4.16)
Климатические параметры изменяются во времени, сохраняя определенные закономерности. Наиболее ярко закономерность изменения параметров проявляется, если их иллюстрировать средними многолетними значениями.
На рис.4.7 показан среднемесячный суточный ход температуры наружного воздуха в различных климатических зонах для разных сезонов года.
Приведенные данные показывают наличие общей закономерности суточного хода отдельных параметров для различных периодов года. На рис.4.10 показан пример суточного хода результирующей температуры. Как видно из рис.4.10 учет длинноволнового излучения в сторону небосвода приводит к довольно существенному различию результирующей температуры для вертикальной и горизонтальной поверхностей (линия 1 и 2 на рис.4.10).
В целом результирующая и условная температура, как и составляющие ее параметры, сохраняет общую закономерность суточного хода в отдельные периоды года.
ГОСТ Р 55913-2020 Здания и сооружения. Номенклатура климатических параметров для расчета тепловой мощности системы отопления
Текст ГОСТ Р 55913-2020 Здания и сооружения. Номенклатура климатических параметров для расчета тепловой мощности системы отопления
ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ
ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
Номенклатура климатических параметров для расчета тепловой мощности системы отопления
(ISO 15927-5:2004, NEQ)
Москва Стенда ртинформ 2021
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным бюджетным учреждением «Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук» (НИИСФ РААСН) при участии Федерального государственного бюджетного учреждения «Главная геофизическая обсерватория им. А.И Воейкова» (ФГБУ ГГО)
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 «Строительство»
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8 декабря 2020 г. № 1262-ст
4 Настоящий стандарт разработан с учетом основных нормативных положений международного стандарта ИСО 15927*5:2004 «Гидротермальные характеристики зданий. Расчет и представление климатических данных. Часть 5. Данные для расчета тепловой нагрузки для отопления помещения» (IS0 15927*5:2004 «Hygrothermal performance of buildings — Calculation and presentation of climatic data — Part 5: Data for design heat load for space heating», NEQ)
5 ВЗАМЕН ГОСТ P 55913-2013
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N9 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
© Стандартинформ. оформление. 2021
Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и рас* пространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии
Содержание
1 Область применения
2 Нормативные ссылки
3 Термины и определения
4 Оптимальные и допустимые параметры микроклимата жилых, общественных и гражданских
зданий отопительного периода года
5 Номенклатура климатических параметров отопительного периода
ГОСТ Р 55913—2020
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
Номенклатура климатических параметров для расчета тепловой мощности системы отопления
BuMings and constructions. Nomenclature of climatic parameters for the calculation of thermal power of the heating system
Дата введения — 2021—03—01
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает номенклатуру климатических параметров отопительного периода.
Стандарт используют при разработке нормативных документов на здания и сооружения.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие документы: ГОСТ 30494 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях СП 60.13330.2012 «СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха». СП 131.13330.2012 «СНиП 23-01—99* Строительная климатология»
Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов (сводов правил) в жфорыационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный документ, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого документа с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого документа с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссыпка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку. Сведения о действии сводов правил целесообразно проверить в Федеральном информационном фонде стандартов
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 абсолютная минимальная и абсолютная максимальная температуры воздуха: Минимальный и максимальный пределы, которых достигла температура воздуха в данном пункте в пределах расчетного периода наблюдений; обеспеченность этих показателей близка к единице.
3.2 среднесуточная амплитуда температуры воздуха: Разность между максимумом и минимумом данных ежедневных наблюдений температуры воздуха с обеспеченностью 0.5.
3.3 максимальная суточная амплитуда температуры воздуха: Наибольшее значение разности между суточным максимумом и минимумом температуры воздуха за период наблюдений с обеспеченностью, близкой к единице.
Примечание — Амплитуда температуры воздуха рассчитывается независимо от состояния облачности за расчетный период наблюдений.
3.4 климатическая норма: Характеристика климата, статистически полученная из многолетнего ряда наблюдений.
Примечание — Чаще всего, это многолетняя средняя величина или крайние (экстремальные) значения метеорологического элемента.
3.5 климатические элементы: Метеорологические и актинометрические элементы (параметры), характеризующие климат, по которым рассчитываются климатические показатели.
3.6 климатическое районирование: Районирование на основе комплексного сочетания среднемесячной температуры воздуха в январе и июле, средней скорости ветра за три зимних месяца, среднемесячной относительной влажности воздуха в июле.
3.7 максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь: Наибольшая из средних скоростей по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16 % и более.
3.8 обеспеченность: Интегральная повторяемость значений климатического параметра ниже или выше их определенных пределов.
3.9 отопительный период года: Период года, характеризующийся средней суточной температурой наружного воздуха равной и ниже плюс 10 °C или плюс 8’С о зависимости от вида здания по ГОСТ 30494.
3.10 отопление: Искусственное нагревание помещения в холодный период года для компенсации тепловых потерьограждающимиконструкциямии поддержания впомещении нормируемой температуры.
3.11 парциальное давление водяного лара: Часть атмосферного давления, создаваемого водяным паром.
3.12 период фиксирования исходных данных: Период со значениями расчетной зимней наружной температуры продолжительностью не менее 30 лет.
3.13 повторяемость: Отношение числа случаев со значениями, входящими в данный интервал, к общему числу членов ряда.
3.14 повторяемость направлений ветра: Повторяемость, рассчитываемая в процентах от общего числа случаев направлений ветра без учета штилей.
3.15 повторяемость штилей: Повторяемость, рассчитываемая в процентах от общего числа случаев наблюдений.
3.16 продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха, равной и меньше 0 °C: Продолжительность периода с устойчивыми значениями этих температур.
Примечание — Отдельные дни со средней суточной температурой воздуха, равной и меньше О *С. не учитывают.
продолжительность отопительного периода: Расчетный период времени работы системы отопления здания, представляющий собой среднее статистическое число суток в году, когда средняя суточная температура наружного воздуха устойчиво равна и ниже 8 или 10 °C в зависимости от вида здания.
(СП 50.13330.2012, таблица 3.1]
Примечание — Отдельные дни со средней суточной температурой воздуха равной и меньше 8 *С и 10 °C не учитывают.
3.18 расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления: Средняя температура воздуха наиболее холодной пятидневки за период 30—50 лет с обеспеченностью 92 %.
3.19 расчетные параметры наружного воздуха отопительного периода (холодного периода года, параметры Б): Средняя температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 и скорость ветра, соответствующая максимальной из средних скоростей ветра в январе по румбам с обеспеченностью не менее 16 %.
3.20 средняя скорость ветра по румбам: Результат деления суммы скоростей на сумму случаев с ветром каждого румба.
3.21 средняя температура воздуха наиболее холодного периода: Средняя температура периода, составляющего 15 % его общей продолжительности, но не более 25 сут., со средней суточной температурой воздуха, равной и меньше 8 ’С.
3.22 средняя температура воздуха по месяцам и за год: Характеристика температурного режима отдельных месяцев и всего года с обеспеченностью в среднем 0.5. с показателями, рассчитанными за 50—80 лет в пределах расчетного периода наблюдений.
3.23 средняя температура наружного воздуха отопительного периода: Расчетная температура наружного воздуха, осредненная за отопительный период по средним суточным температурам наружного воздуха.
3.24 строительная климатическая зона: Часть территории Российской Федерации, характеризуемая совокупностью климатических параметров, используемых для проектирования и строительства зданий.
3.25 температура воздуха наиболее холодной пятидневки: Температура, определяемая по средним суточным температурам воздуха скользящим осреднением за пять сут.
3.26 температура наружного воздуха наиболее холодных суток: Температура, определяемая из выборки температуры воздуха наиболее холодных суток за расчетный период наблюдений.
3.27 температура наружного воздуха обеспеченностью 0,94 (параметры А): Температура, соответствующая температуре воздуха наиболее холодного периода.
4 Оптимальные и допустимые параметры микроклимата жилых, общественных и гражданских зданий отопительного периода года
Таблица 1 — Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой эоне помещений жилых зданий и общежитий.