ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ПАНЕЛЬНО­ЛУЧИСТОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Режим работы СПЛО и СКВ в течение года

В течение года происходит изменение тепловой нагрузки на системы отопления-охлаждения и вентиляции, которые обусловлены годовым ходом параметров наружной среды и сезонной сменой параметров микроклимата в помещении. Основу рассмотрения режима работы систем в течение года составляет модель годового изменения параметров наружного климата. Среди многообразия моделей представления годового изменения параметров наружного воздуха выделяют две группы.

Первый вид моделей строится на описании годового хода средних за месяц параметров. Модели представляются в табличной форме или описываются аналитически. Разновидностью подобной модели наружного климата является так называемый представительный год (Testreferenzjahr или «TRJ»)- наиболее полный и объективный объем климатологической информации. Его использование предполагает применение вычислительных средств. Создание подобной базы данных для различных регионов России, которым присуще огромное разнообразие климатических условий, является специальной и весьма непростой задачей.

Второй вид представления климатической информации использует обработку срочных измерений в виде функций распределения параметра. Функции распределения задаются в табличной форме, в виде графиков или аппроксимируются аналитическими зависимостями [98,108]. Такой вид представления климата встречает определенные трудности. Во-первых, требуется сложная обработка метеоданных, во-вторых, возникает трудность принципиального характера, которая состоит в необходимости оперировать двухмерным распределением параметров. При этом неизбежно привлечение громоздкого математического аппарата, который к тому же строится на существенных допущениях в постановке задачи. Вместе с тем, второй вид модели

климата имеет преимущество перед первым, состоящее в том, что в информации о параметре заложен весь диапазон его изменения.

При осреднении параметров наружного климата имеющийся диапазон изменения параметров сокращается, что представляет недостаток первой модели. Однако осреднение исключает разного рода помехи и позволяет выделить основную закономерность изменения параметра во времени, вытекающую из физической сущности процессов, формирующих параметр. Это является определенным преимуществом первой модели.

Уменьшенный диапазон параметров, заданных средними значениями, не является препятствием для их использования в анализе годового режима работы СВ и СКВ, т. к. переход от режима к режиму происходит, как правило, при «умеренных» значениях параметров. Лишь некоторые режимы работы систем, не являющиеся показательными с точки зрения энергопотребления, протекают при значениях параметров климата, близких к расчетным.

Следует отметить, что при расчете годовых затрат энергии системами нет надобности вовлечения в анализ значений параметров, близких к экстремальным. На это обстоятельство справедливо указал А. М. Сизов [93]. Если иметь в виду, что средняя часть функции распределения совпадает со среднемесячными значениями, то отмеченное преимущество полноты представления параметра функцией распределения значительно сокращается. Исследования, проведенные Ю. Мазухом [2], показали незначительное расхождение результатов расчета годового расхода энергии по двум моделям, что подтверждает правомерность использования осредненных климатических параметров.

Изложенные соображения свидетельствуют о том, что для рассматриваемой цели анализа режима работы систем обеспечения микроклимата предпочтительно оперировать многолетними осредненными климатическими данными, главное преимущество которых наряду с простотой представления функций времени параметров, состоит в большом объеме доступных данных [80, 97]. Имеющаяся сопутствующая база данных о годовом изменении параметров наружного климата позволяет вести расчет для большого числа населенных пунктов России.

Анализ годового изменения тепловой мощности систем обеспечения микро­климата проводится в эксплуатационных условиях, которые характеризуются изменением параметров наружного климата во времени суток и года в интервале от расчетных летних до расчетных зимних и наоборот.

Климатологическая информация, публикуемая в доступных источниках, основывается на измерениях метеоэлементов в сети метеостанций. На станциях измеряют температуры 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.

Парциальное давление водяного пара, влагосодержание и энтальпия воздуха, интенсивность радиации на вертикальные и наклонные поверхности разной ориентации рассчитывают, используя имеющиеся значения измеряемых параметров.

Для пересчета измеряемой интенсивности прямой радиации на

нормальную к лучам поверхность пользуются формулы сферической геометрии. Величина интенсивности на горизонтальную, наклонную и вертикальную поверхности определяется как функция профильного угла:

Sj = S„ • cos #, Вт/м2, (3.48)

где:

SH - интенсивность прямой радиации на нормальную к лучам поверхность, Вт/м2; в - профильный угол (угол между лучом солнца и нормалью к поверхности), град. Величина cos# равна:

cos в = cos ас • cosh, (3.49)

где:

ас - солнечный азимут поверхности, h - высота стояния солнца, град.

Относительно углов, определяющих положение солнца на небосводе, величина cos# равна:

- для вертикальной поверхности:

cos# = cos а • (cos# - cos/? - зт^-зт^-соз^Э + зтаг - cos# - sin/?, (3.50)

- для горизонтальной поверхности:

cos # = cos 5 • cos (5 • cos <p + sin б • sin cp,

- для наклонной поверхности:

cos в = cos #,„„ ■ cos A + cos #,„„ • sin A,

<-Uy t. Op *

где:

а - азимут поверхности, град;

/?- часовой угол, град;

3- склонение солнца, град;

(р - широта местности, град;

Д - угол наклона поверхности к горизонту, град.

Формулы (3.48)-(3.52), справедливы для безоблачного неба, однако, без особой погрешности их можно использовать для средних условий обеспеченности, характерных для осредненных многолетних данных. При этом надо иметь в виду, что при пересчете среднесуточных значений интенсивности следует учитывать нелинейность формул (3.48)~(3.52). Значения углов ас и /z, соответствующие среднеинтегральным значениям cos#, определяются по формулам:

- а + Ь(р; hz =а + Ъ(р, град,

где:

(р - географическая широта местности, град.

Значения коэффициентов а и Ъ для расчета среднеинтегральных значений солнечного азимута и высоты стояния солнца приведены в табл.3.2.

Сумма рассеянной и отраженной радиации называется диффузной радиацией. 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:

D = Dr • (0.5 + 0.5 • cos А + 0.2 • sin Д), (3.54)

где:

Dr - интенсивность рассеянной радиации на горизонтальную поверхность,

Вт/м2;

А - угол наклона поверхности к горизонту, град.

Климатические параметры изменяются во времени суток и года, сохраняя определенные закономерности. Отмеченное обстоятельство позволяет сократить объем климатологической базы данных о суточном и годовом ходе параметров, используя в расчете средние за время работы системы (за смену) или среднесуточные значения параметров наружного климата.

Так, интенсивность прямой и диффузной солнечной радиации имеет прерывистую («склеенную») функцию суточного хода, близкую к половине косинусоиды с периодом, равным удвоенной продолжительности действия радиации. Для описания суточного хода в этом случае достаточно располагать значениями среднесуточной и максимальной за сутки величин или среднесуточной величины интенсивности и продолжительности действия радиации в течение суток.

Суточный ход температуры и теплосодержания наружного воздуха в различных климатических зонах оказывается близким к гармоническому с периодом 24 часа и максимумом около 15 часов по истинному времени:

tH =tHi0+A, - cos15-(t-15), (3.55)

где:

їн. о - среднесуточное значение, °С;

At - суточная амплитуда параметра;

Т - время, ч.

Учитывая, что влагосодержание наружного воздуха в течение суток практически не меняется, допустимо считать суточную амплитуду теплосодержания численно равной амплитуде температуры.

Годовой ход параметров наружного климата описывается тригонометрическим рядом в функции времени в исчислении от 1-го января. Это, в свою очередь, сокращает объем климатологической информации до минимума:

Y = Г0 + Yak ■ cosod-к-т + Y. bt smco-k-т, (3.56)

где:

Y0- среднегодовое значение параметра; а/с и Ьк - амплитуды гармоник;

к - порядковый номер гармоники (в данном случае от 1 до 6);

со - частота колебания, равная со= п/182, если г - время исчисляется в сутках от 1 января или со= п/6 при г = п - 1, где п - порядковый номер месяца.

В табл. 3.3 приведены среднемесячные значения интенсивности прямой и диффузной солнечной радиации на горизонтальные и вертикальные поверхности разной ориентации для Москвы, Новосибирска и Краснодара, полученные пересчетом данных [80].

В табл. 3.4 приводятся среднемесячные значения параметров наружного воздуха, полученные непосредственно и пересчетом. Получены значения влагосодержания d, г/кг, и теплосодержания I, кДж/кг, наружного воздуха:

</ = 622--^—, (3.57)

“в 1 П

. 1ЛЛС (2500 + 1.8-t)-d /о сол

7 = 1,005-/ + --------------------------- —, (3.58)

1000 v J

где:

Рп и Рв - соответственно парциальное и барометрическое давление воздуха, гПа; t - температура воздуха, °С.

Трансмиссионный тепловой поток, проходящий через массивные ограждения, равен:

Qtp = кх • Fx • (t>ai — tn), Вт, (3.59)

где:

кх - коэффициент теплопередачи массивного ограждения, fm—

м - °С

Fx - площадь ограждения, м t - среднесуточная условная температура, °С;

tn - температура помещения, °С.

Условная температура учитывает тепло солнечной радиации, поглощенное поверхностью ограждения:

аи

где:

р - коэффициент поглощения тепла солнечной радиации поверхностью; q - интенсивность суммарной солнечной радиации, Вт/м2; tHap - результирующая температура наружной среды, °С;

Вт

ан - коэффициент теплообмена на наружной поверхности,

м2-°С

a„=5,2 + 2,l-v,-^- (3.61)

м • с

Проходящий через окно тепловой поток за счет теплопередачи равен:

QtP ~ ^2 ' Г2 • (t„ap — tn ), Вт, (3.62)

где:

Вт

к2 - коэффициент теплопередачи окон, F2 - площадь окна, м2.

В инженерных методах расчета вместо температуры помещения tn в формулы (3.59) и (3.62) подставляют температуру воздуха tв, а вместо наружной температуры tHap - температуру наружного воздуха tH.

Помимо трансмиссионного теплового потока через окна проходит так называемый инфильтрационный тепловой поток, обусловленный нагревом инфильтрующегося наружного воздуха:

Q„ =~Л-Рг-0„-«„-1,),Вт, (3.63)

3.6

где:

А - коэффициент рекуперации:

А = 0,9- для окон с раздельными переплетами и тройным остеклением;

Л = 1- для остальных случаев;

Gpr расход инфильтрующегося воздуха, .

4-М

В инженерных методах расчета пользуются формулой расчета расхода воздуха, проходящего через неплотности окон:

(3-64)

Ru 10 ч-м

где:

R„ - сопротивление воздухопроницанию,

кг

АР - разность давления воздуха снаружи и внутри здания, Па.

В простейшем случае сбалансированного притока и вытяжки в здании высотой Н, м, при одинаковом воздухопроницании обоих фасадов, разность давления на высоте h,, м, снаружи и внутри здания:

лл =(lj-K)-(r,-r.) + 0,25-v(k,-k,),na (3.65)

где:

ун, ув - объемный вес наружного и внутреннего воздуха, кг/м3;

kH, k3- аэродинамические коэффициенты на наветренной и заветренной сторонах

здания;

vH - скорость ветра, м/с.

Суммарные теплопоступления от солнечной радиации через окно:

Qn — Fqk '(S ' Р ' Роп ' Fok + D • f3од ) • /?3, (3.66)

где индексами “77” и 11 Д ” обозначены коэффициенты для прямой и диффузной

радиации.

Основной характеристикой, используемой в расчетах, служит коэффициент проникании радиации /?, состоящий из двух частей:

Р = Р0ГР> (3-67)

где:

Р0- максимальное значение коэффициента (при 9 = 0);

р - функция зависимости коэффициента от профильного угла (для диффузной радиации р = 1).

Коэффициент ро зависит от толщины стекла 5, мм:

Р0 =c — d-5 (3.68)

Значения коэффициентов с и d приведены в табл. 3.5.

Рассчитывать /? желательно с помощью аналитической функции. Исходя из экспоненциальной зависимости ослабления луча света в поглощающей среде, воспользуемся формулой, дающей погрешность аппроксимации не более 2 %:

p = (Cos0)°-88-eil-™e) ' (3.69)

Затенение части стекла оконными откосами или горизонтальными и вертикальными стационарными солнцезащитными устройствами можно учесть с помощью коэффициента затенения F0K:

F„=(l-i.,№).(I-A. J^.)> (3.70)

L Н cosac

где:

l, h - размеры затеняющего выступа, м;

L, Н - размеры окна, м.

Таблица 3.5. Коэффициенты проникания и отражения

В инженерных методах расчета снижение теплопоступления от солнечной радиации для окон с более чем одним стеклом и солнцезащитой в конструкции окна принято учитывать с помощью коэффициента солнцезащиты /?3 в формуле

(3.63).

При расчете среднесуточных значений теплопоступления от солнечной радиации через окна следует скорректировать нелинейную зависимость коэффициентов пропускания и затенения. Значения среднеинтегральных коэффициентов пропускания (Зъ приведены в табл. 3.6. При расчете коэффициента затенения FOK можно использовать формулу (3.70), подставив в нее значения hz и аъ, указанные в табл. 3.2.

В табл. 3.7 приводятся среднемесячные значения тепловых потоков от прямой и диффузной солнечной радиации, проходящих через одинарное остекление. Данные получены по методике, изложенной выше.

Количественная оценка энергетической эффективности средств обеспечения микроклимата исходит из величины суммарного годового расхода энергии системами. Годовой расход энергии представляется наиболее объективным ■ энергетическим показателем, т. к. именно в годовом цикле в полной мере проявляются все режимы потребления энергии.

Принципиально можно выделить две части расхода энергии. Первый обусловлен стабилизацией температурных условий в помещении (расход энергии на охлаждение), второй - связан с термодинамической обработкой воздуха в установках вентиляции или кондиционирования воздуха.

Определение годового расхода холода СВ или СКВ сводится к интегрированию функции времени года потребляемой холодильной мощности в пределах охладительного периода. Поэтому важно сформулировать принцип определения границ охладительного периода, понимая его как период

потребления искусственного холода. Предлагается считать охладительным периодом часть теплого времени года, в течение которого теплосодержание наружного воздуха выше минимального значения теплосодержания охлажденного воздуха, так как за пределами этого периода охлаждение помещения можно проводить наружным воздухом без его охлаждения. Соответственно временные границы периода определяются из функции годового хода теплосодержания наружного воздуха пересечением графика функции с изоэнтальпой 1омин -

Минимальное теплосодержание охлажденного воздуха определяется для точки, лежащей на линии 95% относительной влажности и удовлетворяющей условиям:

/0 = /J+3,6.%i и d0=d,-%-, (3.71)

^О ^о

где индексом «в» обозначены параметры внутреннего (уходящего) воздуха;

Qc, n~ нагрузка на СКВ по полному теплу, Вт;

W - влагоизбытки в помещении, г/ч;

Go - общий расход приточного воздуха, кг/ч.

Расход холода на охлаждение помещения для СПЛО определяется по формуле:

Qom =vM'Ar'2^> (З-72)

' А'і

где:

п - количество рабочих дней в неделю;

М - число дней в рассматриваемом месяце;

Ат - суточная продолжительность рабочего времени, ч;

Nj и N2- порядковые номера месяцев начала (1) и конца (2) охладительного периода;

Q - средняя за рабочее время суток холодильная мощность СПЛО, Вт.

Для СКВ эта величина равна:

где:

Gh~ расход наружного воздуха, кг/ч.

Расход холода на охлаждение для СПЛО рассчитывается отдельно для рабочих и выходных суток.

Годовой расход холода на обработку воздуха определяется по формуле:

(3.74)

Среднемесячный суточный расход холода на обработку воздуха равен с учетом (3.55):

где параметры теплосодержания наружного воздуха принимаются для каждого месяца охладительного периода.