Роль градусо-суток охладительного периода при расчете потребности жилых домов в охлаждении

В. И. Ливчак, канд. техн. наук

О методиках расчета

При расчете энергопотребления зданием за длительный период (обычно месяц или сезон)² для оценки энергоэффективности при известных значениях среднесуточных за месяц теплопоступлений допускается использовать метод квазистационарного состояния, позволяющий учесть динамические эффекты за счет выведенного эмпирическим путем показателя использования притоков или потерь. Из-за отсутствия достаточного практического опыта в наших расчетах этот показатель пока принят равным 1. Рассчитанная по предлагаемой нами методике, приведенной ниже, величина удельного годового расхода холода будет максимальной величиной, поскольку ее уточнение с использованием динамических характеристик только понизит это значение.

Также вводится ряд допущений: принята интенсивность солнечной радиации, характерная для условий Москвы, и не учитывается потребность в отдельные периоды осушки наружного воздуха, которую при реальном проектировании можно оценить индивидуальным для каждого региона климатическим коэффициентом.

По методике США число ГСОхП³ определяется произведением абсолютного значения разности среднесуточной температуры наружного воздуха T_m за дни, когда она выше базовой температуры T_b = 65 °F (18,3 °C), и этой базовой температуры на количество таких дней в году. ГСОхП рассчитываются по той же формуле (1) (см. формулы), что и ГСОП, только для дней, когда T_m выше T_b.

Оценка требуемого потребления холода для условий Москвы

Если пользоваться для расчета холода методикой США, которая едина для отопления и охлаждения, количество холода, необходимого для кондиционирования МКД в Москве с удельной мощностью системы отопления, отнесенной на 1 м² площади квартир q^р_от = 48 Вт/м², составило бы 8,2 кВт•ч/м² (см. формулу 2).

Перед тем как рассчитать годовое потребление холода для кондиционирования МКД по предлагаемой нами методике, определим температуру наружного воздуха начала/окончания охладительного периода, исходя из уравнения теплового баланса здания (формула 3), пока без учета теплопоступлений с солнечной радиацией (при пасмурной погоде).

Выполним расчеты на примере двух квартир, ориентированных на юг/север, для условий Москвы с заселенностью общей площади квартир:

в 20 м² на человека в Квартире 1, с площадями:
А_кв = 60 м², А_ж = 33 м², А_ф = 27 м², А_ок = 9,3 м²;

в 40 м² на человека в Квартире 2, с площадями:
А_кв = 120 м², А_ж = 66 м², А_ф = 54 м², А_ок = 16,5 м².

Приведенное сопротивление теплопередаче стен, исходя из выполнения первого этапа повышения энергоэффективности, одинаковое для обеих квартир R_ст = 3,6 м²•°C/Вт, окон⁴ R_ок = 0,8 м²•°C/Вт.

Тогда приведенный коэффициент теплопередачи наружных ограждений находится по известной формуле (4) без учета теплопотерь через цокольное перекрытие и перекрытие теплого чердака, которыми можно пренебречь при данных расчетах.

Нормативный воздухообмен в Квартире 1, исходя из 30 м³/ч на человека, равен L_{вент кв.1} = 30•3 = 90 м³/ч, в Квартире 2 при 0,35 обмена в час от объема помещений квартиры⁵ с высотой этажа 2,7 м равен L_{вент кв.2} = = 0,35•120•2,7 = 113,4 м³/ч.

Удельные внутренние теплопоступления от жителей, освещения, пищеприготовления, пользования горячей водой и электроприборами принимаются по стандарту СТО НОП⁶ с учетом сокращения теплопоступлений от освещения из-за увеличения светового дня в летний период. Для этого сначала из удельной величины этих теплопоступлений за отопительный период выделим вклад теплопоступлений от освещения в общих внутренних теплопоступлениях, разделив годовое потребление электроэнергии на число часов в году и отнеся половину из него на освещение (обоснование в [1]). Затем уменьшим эту половину на коэффициент сокращения (1-0,65), где 0,65 - это доля теплопоступлений от освещения в летнее время по сравнению со среднегодовым значением [2]. Получим⁷ для Квартиры 1 величину q_{вн.ох.кв.1}, равную 16,2 Вт/м², а для Квартиры 2 - 10,8 Вт/м².

Температура наружного воздуха начала/окончания охладительного периода, исходя из теплового баланса квартир, соответствует такой величине t_н.ох, при которой теплопотери через наружные ограждения вместе с нагревом наружного воздуха для вентиляции до внутренней расчетной температуры охладительного периода t_в.ох = 24°C будут равны внутренним теплопоступлениям этого периода, и находится из уравнения теплового баланса по формуле (5).

Определение длительности охладительного периода⁸, в течение которого внутренние теплопоступления будут избыточны, производится с использованием СП 131.13330 «Строительная климатология». Для Квартиры 1 с заселенностью 20 м²/чел. z_{ох.п.кв.1} = 117 сут. с 13 мая по 7 сентября. Для Квартиры 2 при пороговой температуре наружного воздуха t_{н.ох.кв.2} = 13,7 °C (с уменьшением доли внутренних теплопоступлений температура начала/окончания охладительного периода смещается в сторону более высоких значений) длительность охладительного периода составит z_{ох.п.кв.2} = 105 сут. с 20 мая по 2 сентября.

В обоих случаях между отопительным и охладительным периодами наблюдаются переходные периоды, в течение которых также может требоваться охлаждение. В охладительный период внешние солнечные теплопоступления будут дополнительной нагрузкой к внутренним теплопоступлениям, поэтому солнечная радиация при расчете расхода энергии на охлаждение принимается в объеме вне отопительного периода (за охладительный и переходные периоды). Внешние теплопоступления рассчитываются, исходя из интенсивности солнечной радиации на вертикальные поверхности при действительных условиях облачности. Для Москвы⁹ за период с 1 мая по 30 сентября, т. е. в течение 153 сут., интенсивность солнца равна: на юге I_юг – 391 кВт•ч/м²; востоке/западе I_в/з – 359 кВт•ч/м² и севере I_сев – 183 кВт•ч/м². При длительности отопительного периода менее 7 мес. интенсивность этих теплопоступлений пересчитывается пропорционально увеличению количества дней вне отопительного периода.

Для Москвы учитываемые при определении расхода холода теплопоступления от солнечной радиации Q_{ох. п.инс} для двух вариантов квартир в зависимости от их ориентации сведены¹⁰ в табл. 1.

Таблица1

Показатель Ориентация Квартиры 1 (площадью 60 м2) Ориентация Квартиры 2 (площадью 120 м2) Юг Север Восток/ запад Юг Север Восток/ запад Теплопоступления от солнечной радиации Qох.п.инс, кВт•ч 1643 769 1508 2915 1364 2676 Теплопоступления с внутренними тепловыде- лениями Qвн.ох.п, кВт•ч 540 593 Годовые затраты холода Qохл., кВт•ч 1746* 2 048 2733* 3 269 Удельные годовые затраты холода на м2 общей площади квартир qох.п., кВт•ч/м2 29,1* 34,1 22,8* 27,2 * Ориентация север/юг.

С учетом того, что внутренние теплопоступления при температурах наружного воздуха ниже расчетной внутренней температуры 24 °C будут частично компенсировать теплопотери через наружные ограждения и с вентиляционным воздухообменом, при определении потребности в охлаждении будет участвовать оставшаяся часть, пропорциональная отношению разности внутренней температуры и средней наружной за охладительный период
t^ср_{н.ох. п.} к разности (t_в.ох – t_н.ох)¹¹. Выполнив расчет, получаем Q_вн.ох.п для Квартиры 1 равным 540 кВт•ч, для Квартиры 2 –
593 кВт•ч.

Из табл. 1 следует, что удельные годовые затраты холода на 1 м² общей площади квартир для компенсации внутренних теплопоступлений за охладительный период и внешних за внеотопительный период, если принимать условно для дома в целом при ориентации юг/север (половина квартир ориентирована на юг, половина на север) и при ориентации восток/запад, оказались значительно выше полученной по методике США величины 8,2 кВт•ч/м², исходя из ГСОхП = 340 °C•сут.

Зависимость между ГСОхП и удельными затратами холода в различных городах России

Cкзанное выше подтверждает правильность прямых расчетов затрат холода на кондиционирование воздуха, исходя из внутренних и внешних теплопоступлений, а градусо-сутки охладительного периода могут быть использованы для сопоставления потребности холода в разных регионах. Например, в Волгограде, находящемся южнее Москвы, определенные по той же методике ГСОхП равны 777 °C•сут., а в Сочи – 753 °C•сут. В Нью-Йорке (Бруклин), находящемся примерно на той же широте, что и Сочи, ГСОхП равны 827 °C•сут., а в Майами – самом южном городе США – 2 560 °C•сут. (среднее измерение между двумя аэропортами), что свидетельствует о большей нагрузке на кондиционирование в этом городе.

Проанализируем, есть ли зависимость между ГСОхП, рассчитанными по методике США, и удельными затратами холода для компенсации внутренних и внешних теплопоступлений, определенными по вышеприведенной методике. Для этого рассмотрим те же квартиры, но построенные в разных регионах России (12 городов), с учетом базовых показателей теплозащиты (для Москвы отличаются от предыдущего примера, рассчитанного по первому этапу), нормативных значений воздухообмена и удельной величины внутренних теплопоступлений. Результаты расчета приведены в табл. 2.

По результатам расчета построен график (рис. 1) изменения величины удельного годового расхода холода для кондиционирования МКД с ориентацией север/юг и восток/запад в соответствии с градусо-сутками охладительного периода, который показывает довольно приличную зависимость для десяти городов¹². По графику для определения энергоэффективности строящегося здания или ожидаемого энергопотребления эксплуатируемого жилого дома в зависимости от величины градусо-суток охладительного периода региона строительства, определенного по методике США по программе «www. degreedays.net», можно найти величины удельного годового расхода холода для кондиционирования МКД. Например, с заселенностью 20 м²/чел. и ориентацией север/юг по зависимости
q ^год _{ох. п.МКД.с/юг} = 25,6 + 0,025•ГСОхП_США; то же с ориентацией восток/запад: q^год_{ох. п.МКД.в/з} = 30,6 + 0,03•ГСОхП_США.

Рисунок 1. График изменения удельного годового расхода холода qхол для кондиционирования МКД с ориентацией юг/север и восток/запад в соответствии с градусо-сутками охладительного периода, определенными по методике США

Итак, предлагается методика расчета удельного годового расхода холода q_хол для кондиционирования воздуха в многоквартирных домах центрального региона ¹³ России с учетом заселенности квартир, меридиональной или широтной ориентации здания с обеспечением нормативного воздухообмена и комфортного микроклимата в помещениях. На базе этой методики установлена зависимость q_хол от ГСОхП при норме заселенности 20 м²/чел. Также данную методику можно принять за основу при определении удельного годового расхода холода для кондиционирования воздуха общественных зданий, используя исходные данные из [1].

Литература

1. 1. Ливчак В. И. Исходные данные для расчета годового теплопотребления зданий в России // АВОК. 2015. № 5.
2. 2. Ливчак В. И. Учет внутренних теплопоступлений в жилых домах // АВОК. 2013. № 6.

¹ За рубежом используются сложные программы моделирования почасового энергопотребления с учетом нестационарности процессов теплопередачи в помещениях и изменения климата.

² В соответствии с ISO 13790:2008(Е) Energy performance of buildings – Calculation of energy use for space heating and cooling (разделы 5.3–5.4).

³ Обозначаются в американской методике СDD – cooling degree days.

⁴ Двухкамерный стеклопакет с заполнением аргоном и мягким селективным покрытием внутреннего стекла, коэффициент затенения непрозрачными элементами τ₁ = 0,8, коэффициент относительного пропускания солнечной радиации τ₂ =0,54.

⁵ Для Квартиры 2, исходя из 30 м³/ч на человека, оказалось меньше 90 м³/ч.

⁶ СТО НОП 2.01–2014 «Требования к содержанию и расчету показателей энергетического паспорта проекта жилого и общественного здания», см. табл. В.4 (последняя строка).

⁷ Для Квартиры 1 q_вн.ох. = 17 – [38 • 103 / 365 / 24 / 2 • (1 – 0,65)] = 16,2 Вт/м²; для Квартиры 2 q_вн.ох. = 11,4 – [30 • 103 / 365 / 24 / 2 • (1 – 0,65)] = 10,8 Вт/м².

⁸ Расчет приводится в приложении 1 к статье.

⁹ Согласно МГСН 4.19–2005 «Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве».

¹⁰ Расчет приводится в приложении 2 к статье.

¹¹ См. формулу в приложении 2 к статье.

¹² Астрахань с максимальным значением ГСОхП и Сочи с минимальным значением ГСОП выпали из этой зависимости и исключены как показатели с максимальными отклонениями от аппроксимирующей линии в большую и меньшую стороны.

13 Для регионов, где интенсивность солнечной радиации и влажность наружного воздуха отличаются от центрального района России, следует вводить поправочный региональный коэффициент.

Приложение 1

Определение длительности охладительного периода для МКД

Итак, температура наружного воздуха начала/окончания охладительного периода, исходя из теплового баланса квартир (когда теплопотери через наружные ограждения и на нагрев нормативного воздухообмена для вентиляции квартиры становятся равными внутренним теплопоступлениям) для 1-ой квартиры с плотностью заселения 20 м² площади квартир на человека составила t_{н.ох.кв.1} = 12,6°C; для 2-ой квартиры с плотностью заселения 40 м²/человека - t_{н.ох.кв.2} = 13,7°C.

Учитывая, что согласно СП 131.13330 среднесуточная температура наружного воздуха в мае составляет 13,0°C, а в апреле 6,4°C, то 12,6°C      наступит на (13,0-12,6)/(13,0-6,4)/30 = 2 дня раньше 15 мая, то-есть, начало охладительного периода начнется 13 мая. Аналогично, если среднесуточная температура наружного воздуха в августе составляет 16,8°C, а в сентябре 11,1°C, то 12,6°C наступит на (12,6-11,1)/(16,8-11,1)/30 = 8 дней раньше 15 сентября, то есть, окончание будет 7 сентября. И тогда охладительный период, в течение которого внутренние теплопоступления будут избыточны, включает для квартиры с заселенностью 20 м²/человека z_{ох.п.кв.1} = 117 суток с 13 мая по 7 сентября. Соответственно, во 2-ом случае при пороговой температуре наружного воздуха t_{н.ох.кв.2} = 13,7°C (с уменьшением доли внут-ренних теплопоступлений температура начала/окончания охладительного периода смещается в сторону более высоких значений) длительность охладительного периода составит z_{ох.п.кв.2} = 105 суток с 20 мая по 2 сентября.

Приложение 2

Расчеты по определению годовых затрат холода для МКД

Поскольку солнечная радиация при расчете расхода энергии на охлаждение принимается в объеме вне отопительного периода (за охладительный и переходные периоды). Внешние теплопоступления рассчитываются, исходя из интенсивности солнечной радиации на вертикальные поверхности при действительных условиях облачности для Москвы за период с 1 мая по 30 сентября, то-есть в течение 153 суток: на юг – I_юг = 391 кВт·ч/м²; восток/запад – I_в/з = 359 кВт·ч/м² и север – I_сев = 183 кВт·ч/м² (в соответствии с МГСН 4.19–2005. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве). При длительности отопительного периода менее 7 месяцев, интенсивность этих теплопоступлений пересчитывается пропорционально увеличению количества дней вне отопительного периода.

Для Москвы, учитываемые при определении расхода холода, теплопо-ступления от солнечной радиации для 2-х вариантов квартир в зависимости от их ориентации составят:

Q_{ох.п.инс.кв.1.юг} ^год = 391·9,3·0,8·0,54·(365-205)/153 = 1643 кВт·ч;

Q_{ох.п.инс.кв.1.сев} ^год = 183·9,3·0,8·0,54·(365-205)/153  = 769 кВт·ч;

Q_{ох.п.инс.кв.2.юг} ^год = 391·16,5·0,8·0,54·(365-205)/153  = 2915 кВт·ч;

Q_{ох.п.инс.кв.2.сев} ^год = 183·16,5·0,8·0,54·(365-205)/153  = 1364 кВт·ч;

Q_{ох.п.инс.кв.1.в/з} ^год = 359·9,3·0,8·0,54·(365-205)/153  = 1508 кВт·ч;

Q_{ох.п.инс.кв.2.в/з} ^год = 359·16,5·0,8·0,54·(365-205)/153  = 2676 кВт·ч.

Учитывая, что внутренние теплопоступления при температурах наружного воздуха ниже расчетной внутренней температуры 24°C будут частично компенсировать теплопотери через наружные ограждения и с вентиляционным воздухообменом, то при определении потребности в охлаж-дении будет участвовать оставшаяся часть, пропорциональная отношению разности внутренней температуры и средней наружной за охладительный период t_н.ох.п.^ср к разности (t_в.ох  - t_н.ох):

Q_{вн.ох.п.}^год = q_вн.ох · А_ж · z_ох.п · 24·10^-3 · [1 – (t_в.ох - t_н.ох.п.^ср) / (t_в.ох - t_н.ох)]

Тогда, с учетом t_{н.ох.п.кв.1}^ср =16,7°C и t_{н.ох.п.кв.2}^ср =17,1°C (из СП 131.13330):   

Q_{вн.ох.п.кв.1} ^год = 16,2·33·117·24·10^-3·[1 - (24-16,7) / (24-12,6)] = 540 кВт·ч;

Q_{вн.ох.п.кв.2} ^год = 10,8·66·105·24·10^-3·[1 - (24-17,1) / (24-13,7)] = 593 кВт·ч.                            

Примечание. Дополнительными теплопоступлениями за счет повышения температуры наружной поверхности ограждений из-за облучения их солнцем пренебрегаем, поскольку мы рассматриваем квартиры в домах с «теплым чердаком», в которых повышение температуры на покрытии чердака не влияет на теплопоступления в квартиры, а дополнительные теплопоступления через стены  составляют менее 1,5%.

Итого, годовые затраты холода для компенсации внутренних  теплопоступлений за охладительный период и внешних за внеотопительный период 2-х и 4-х комнатной квартирах с заселенностью в 20 и 40 м²/человека, принимая условно для дома в целом при ориентации с/юг (половина квартир ориентирована на юг, половина на север) и при ориентации в/з, составят:

Q_{охл.кв.1.с/юг} ^год = 540 + (1643 + 769)/2 = 1746 кВт·ч;

Q_{охл.кв.2.с/юг} ^год = 593 + (2915 + 1364)/2 = 2733 кВт·ч;

Q_{охл.кв.1.в/з} ^год = 540 + 1508 = 2048 кВт·ч;

Q_{охл.кв.2.в/з} ^год = 593 + 2676 = 3269 кВт·ч;

а удельные годовые затраты холода на м² общей площади квартир:

q _{ох.п.кв.1.с/юг.} ^год = 1746 / 60 = 29,1 кВт·ч/м²;

q _{ох.п.кв.2.с/юг.} ^год = 2733 /120 = 22,8 кВт·ч/м²;

q _{ох.п.кв.1.в/з.} ^год = 2048 / 60 = 34,1 кВт·ч/м²;

q _{ох.п.кв.2.в/з.} ^год = 3269 /120 = 27,2 кВт·ч/м².»