выбор расчетной температуры внутреннего воздуха при

1
ВЫБОР РАСЧЕТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВНУТРЕННЕГО ВОЗДУХА ПРИ
ПРОЕКТИРОВАНИИ МНОГОЗОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
С.В. Брух. Пермский государственный технический университет.
SBruh@permoil.ru
При расчетах систем кондиционирования пользуются так называемой «оптимальной» [1]
температурой внутреннего воздуха, которая для жилых, общественных и административно бытовых помещений меняется в диапазоне от 20 до 25 °С [2] в зависимости от периода года и
скорости воздушных потоков в помещении. В пределах данного диапазона проектировщик
выбирает расчетную температуру внутреннего воздуха, по которой определяет тепловой
баланс помещения в теплый, переходный и холодный период года. Причем с целью
энергосбережения в теплый период года принимается максимальная температура, а в
холодный – минимальная температура внутреннего воздуха из этого диапазона.
С точки зрения существующей нормативной документации данный выбор расчетной
температуры внутреннего воздуха абсолютно адекватен и широко используется при
проектировании систем кондиционирования. Однако для многозональных систем (VRF,
VAV, систем чиллер - фанкойлы, в некоторых случаях сплит - систем) такой выбор
расчетной температуры приводит к невозможности поддерживать оптимальные параметры
внутреннего воздуха в обслуживаемых помещениях.
Причина в том, что данные системы позволяют потребителям индивидуально выбирать
значение необходимой внутренней температуры помещения. Диапазон выбора внутренней
температуры достаточно широк и составляет (в большинстве систем) от 18 до 30 °С. Выбор
температуры случаен и зависит от индивидуальных особенностей терморегуляции
организма. Зачастую, выбранная температура не попадает в диапазон нормируемых
оптимальных параметров внутреннего воздуха, что обуславливается и самим определением
оптимальных параметров микроклимата, которые оптимальны только для 80 % людей [1].
Использование нормативных показателей, которые ориентированы на «среднего» человека
допустимо при проектировании помещений с большим количеством людей, например
кинотеатры, залы совещаний, спортивные комплексы. Многозональные системы
кондиционирования, которые обеспечивают комфорт конкретного человека, необходимо
проектировать с учетом его субъективных характеристик [3].
В системах кондиционирования воздуха, подобранных без учета данного фактора,
наблюдается перерасход холодоносителя (относительно расчетного) на участках с меньшими
гидравлическими или аэродинамическими сопротивлениями и, соответственно, сложность
поддержания требуемой температуры внутреннего воздуха на наиболее удаленных участках.
Данная проблема возникает преимущественно в теплый период года, так как в холодный
период данные системы, как правило, не функционируют и требуемая мощность охлаждения
обычно значительно больше требуемой мощности нагрева.
Возникает необходимость правильного выбора расчетной температуры внутреннего
воздуха при многозональном кондиционировании помещений, что является в первую
очередь статистической задачей. Действительно, выбрав минимально возможную
температуру внутреннего воздуха за расчетную, можно сказать, что все внутренние блоки
многозональных систем будут ее поддерживать. Однако вероятность того, что все
потребители выберут минимально возможную температуру помещения, крайне низка. С
другой стороны, в самом определении систем кондиционирования воздуха заложена степень
обеспеченности параметров внутреннего воздуха в зависимости от класса систем [4].
Следовательно, выбор расчетной температуры внутреннего воздуха должен производится из
условия расчетной степени обеспеченности внутренних параметров помещений.
Нормируемая степень обеспеченности параметров внутреннего воздуха зависит от класса
СКВ (табл. 1).
Таблица 1.
Класс СКВ
Необеспеченность (вероятность
Необеспеченность (вероятность
2
Первый
Второй
Третий
отказа) при односменной работе,
час/год.
70 (0,03)
175 (0,08)
315 (0,15)
отказа) при круглосуточной
работе, час/год.
100 (0,01)
250 (0,03)
450 (0,05)
Для решения статистической задачи определения обеспеченности внутренней
температуры необходимо определить интегральную функцию распределения вероятности
температур в помещении. Для этого проведено исследование работы многозональных систем
кондиционирования и собраны статистические данные по выбору пользователями
температур воздуха в помещениях. В процессе исследования для получения высокой
достоверности результатов проведено более 5600 наблюдений.
Объектом исследований служило здание центрального аппарата управления ООО
«ЛУКОЙЛ – Пермнефть» в г. Перми (Рис.1).
Рис. 1. Объект исследования
Архитектурно - строительные характеристики:
- количество этажей корпуса № 1 – 7;
- количество этажей корпуса № 2 – 7;
- количество этажей общего корпуса – 2;
- общая площадь – 12650 м2;
- строительный объем – 46046 м3;
- общая площадь кондиционируемых помещений – 7520 м2;
- площадь кондиционируемых помещений – от 12 м2 до 36 м2;
- количество кондиционируемых помещений – 398.
Метеорологические данные наружных условий:
Географическая широта местности, 56 °с.ш.
Барометрическое давление, 990 гПа.
Расчетные температуры наружного воздуха:
в теплый период года +24,3 °С (параметр Б – 2 °С)
в холодный период года -35 °С (параметр Б)
Расчетное теплосодержание наружного воздуха:
в теплый период года (параметр Б – 2 кДж/кг), +51,2 кДж/кг.
в холодный период года (параметр Б), -34,9 кДж/кг.
Характеристики систем кондиционирования воздуха:
3
Тип систем кондиционирования воздуха, установленных в здании – VRF (KXJ MITSUBISHI
Heavy Industries и VRV-K DAIKIN) и сплит системы (MITSUBISHI Heavy Industries и
DAIKIN).
Количество систем VRF – 29 шт.
Количество сплит систем – 28 шт.
Количество внутренних блоков – 398 шт.
Тип внутренних блоков – настенный и кассетный.
Тип управления – индивидуальный с централизованным мониторингом.
Тип пультов управления – настенный проводной и ИК.
Обработка данных статистическими методами показала соответствие
вероятности температур распределению Гаусса.
⎛ (tв − m) 2 ⎞
1
⎟
exp⎜⎜ −
f (tв ) =
2 ⎟
×
2
σ
σ 2π
⎝
⎠
распределения
(1)
Математическое ожидание температуры m:
n
m=
∑t N
i
i =1
n
∑N
i =1
i
= 21,91°С
(2)
i
Среднее квадратичное отклонение σ:
n
σ =
∑ (t
i =1
i
− m) 2 × N i
n
∑N
i =1
= 2,28°С
(3)
i
где
tв – температура внутреннего воздуха, ˚С;
Ni – количество измерений с температурой ti.
Плотность вероятности
температуры
Распределение вероятности температур в помещениях показано на рис. 2.
0,2
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
Внутренняя температура, С
Рис. 2. Интегральная функция распределения вероятности температуры внутреннего воздуха
в помещении
4
Вероятность соответствия теоретического функции фактическому распределению по
критерию Пирсона составила 98 %.
Расчетной величиной является средняя температура в помещениях, обслуживаемых одной
системой.
n
t
n
р
=
∑t
i
1
n
(4)
где n - количество внутренних блоков на одной системе.
Математическое ожидание m суммы одинаковых функций случайных величин
(температуры внутреннего воздуха) не зависит от числа функций. Соответственно
математическое ожидание при любых n равно 21,91 С.
Среднее квадратичное отклонение σ суммы одинаковых функций случайных величин
(температуры внутреннего воздуха) вычисляется по формуле:
σn =
nσ 12
n
(5)
Функция распределения вероятности средних температур n внутренних блоков системы:
⎛
⎜
2
−
(
t
21
,
91
)
Кк n
в
exp⎜ −
f (t в ) =
2
⎜
2,28
2,28 2π
2×
⎜
n
⎝
⎞
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
(6)
На рис. 3 изображены распределения плотности вероятности температур в помещениях.
При увеличении количества внутренних блоков n в системе среднее квадратичное
отклонение σ уменьшается, а распределение плотности приближается к математическому
ожиданию.
5
Плотность вероятности
Функции плотности вероятности средней температуры
внутреннего воздуха при n местных кондиционеров.
n=1
2,5
n=2
2
n=4
n=8
1,5
n=16
1
n=32
0,5
n=64
0
18
19
20
21
22
23
24
25
26
Температура внутреннего воздуха, С.
n=128
27
n=256
Рис. 3. Распределения плотности вероятности температур в помещениях
Расчетная температура воздуха
дифференциального уравнения:
в
помещениях
определяется
⎛
⎞
⎜
2 ⎟
(t − 21,91) ⎟
Кк n
dt
exp⎜ − в
dw =
2 ⎟
⎜
2,28
2,28 2π
2×
⎜
⎟
n
⎝
⎠
при
решении
(7)
В результате решения данного уравнения и определения граничных условий получены
зависимости для определения расчетной температуры внутреннего воздуха (рис. 4)
Расчетная температура внутреннего воздуха, С.
6
22
21,8
21,6
21,4
21,2
21
20,8
20,6
20,4
20,2
20
19,8
19,6
19,4
19,2
19
18,8
18,6
18,4
18,2
18
0,85
n=1
n=2
n=4
n=8
n=16
n=32
n=64
n=128
n=256
0,87
0,89
0,91
0,93
0,95
0,97
0,99
Обеспеченность температуры
внутреннего воздуха.
Рис. 4. График выбора расчетной внутренней температуры в помещениях при заданной
степени обеспеченности внутренних параметров и числа внутренних блоков многозональной
СКВ
Зная коэффициент обеспеченности параметров внутренней температуры и количество
внутренних блоков в системе кондиционирования, подбирается расчетная температура
внутреннего воздуха.
Пример № 1. Кондиционируемое здание состоит из 150 помещений. Проектное решение –
VRF кондиционеры с 16 блоками на каждой системе. Для систем кондиционирования
второго класса, работающих в одну смену коэффициент обеспеченности 0,92.
Соответственно расчетная температура внутреннего воздуха равна 21,2 °С.
Пример № 2. Кондиционируемое здание состоит из 150 помещений. Проектное решение –
единая система с чиллером и 150 фанкойлами. Для систем кондиционирования второго
класса, работающих в одну смену коэффициент обеспеченности 0,92. Соответственно
расчетная температура внутреннего воздуха равна 21,7 °С.
1.
2.
3.
4.
Выводы.
Расчетная температура внутреннего воздуха для многозональных систем
кондиционирования в режиме охлаждения всегда находится в пределах 18 °С - 21,91
°С.
Существующий метод выбора расчетной температуры внутреннего воздуха не
обеспечивает поддержание требуемой температуры внутреннего воздуха для
многозональных СКВ.
Выбор расчетной температуры внутреннего воздуха является статистической задачей.
Распределение фактических температур в помещениях является распределением
Гаусса. Математическое ожидание 21,91 °С. Среднее квадратичное отклонение
2,28°С.
7
Список литературы.
[1] - ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в
помещениях.
[2] - СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха», приложение
5. Оптимальные параметры микроклимата в обслуживаемой зоне жилых, общественных и
административно – бытовых помещений.
[3]- Тепловой и газовый комфорт с учетом индивидуальных особенностей человека С. И.
Бурцев, Ю. Н. Цветков. Журнал «Теплоэнергоэффективные технологии», №1, 2002.
[4]- СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха», приложение
24. Термины и их определения.