Použití skutečných teplot pro výpočet SCR – UKC

Někteří zákazníci při navrhování systémů vytápění, větrání a klimatizace upřednostňují namísto standardních hodnot skutečné (archivní) údaje o teplotě a vlhkosti v daném regionu. Skutečné klimatické podmínky se zpravidla ukazují jako závažnější než standardní, ale méně závažné než extrémní hodnoty (absolutní minima, maxima a klimatické rekordy). Tento článek pojednává o základu pro použití skutečných klimatických dat, metodách pro získání těchto dat a příkladech výpočtů.

PROČ POUŽÍVAT DŮKAZY A LZE TO UDĚLAT?

Zákazník chce zpravidla vybudovat systém, který je relevantní dnes i pro blízkou budoucnost. Zdá se nelogické používat k tomuto účelu neustále zastaralá normativní data. Mnohem rozumnější možností je shromažďovat statistiky za poslední roky a řídit se jimi.

Nikdo samozřejmě není imunní vůči novým klimatickým rekordům. Ale vidíte, normativní data je nebudou brát v úvahu stejným způsobem. Pro kritická zařízení, jako jsou nemocnice, operační sály, technologické místnosti, datová centra, se doporučuje brát absolutní minima a maxima jako vypočítané hodnoty, někdy dokonce s malou rezervou. U méně významných zařízení, kde je jednou z priorit zajištění maximálního komfortu v rámci rozumných rozpočtů, se použití zpřísněných skutečných podmínek jeví jako zcela přirozené.

Pokud jde o možnost využití skutečných dat, neexistují z hlediska standardizačního systému žádná omezení. Normy zpravidla odkazují na použití hodnot, které nejsou horší než normativní. Kromě toho můžete ve specifikacích návrhu vždy uvést (a tato metoda je nejoblíbenější) přísnější podmínky, pro které musí být konkrétní systém navržen.

KDE ZÍSKÁM FAKTICKÉ ÚDAJE?

Aktuální údaje o počasí pro jakýkoli region Ruska v posledních letech lze snadno získat na internetu. Otázkou je pouze to, v jaké podobě budou prezentovány, zda bude vhodné je zpracovat a jak syrová tato data budou. S tabulkou o tisících řádcích s hodinovými teplotami je totiž mnohem obtížnější pracovat než s konkrétními grafy nebo mnohem menšími tabulkami s agregovanými ukazateli.

Článek využívá data ze služby Yandex.Weather (zejména pro Moskvu jsou průměrné údaje za poslední roky prezentovány podle dne a měsíce – https://yandex.ru/pogoda/moscow/month) a webové stránky http:// weatherarchive ru, kde najdete podrobný archiv počasí pro různá města po celém světě.

KRITÉRIA PRO VÝBĚR VENKOVNÍ TEPLOTY

Existují tři kritéria pro výběr odhadované venkovní teploty vzduchu:

1. požadovaná úroveň pohodlí v místnosti;
2. hloubka studovaného archivu počasí;
3. příslušnou denní dobu.

Hlavním kritériem při výběru návrhové venkovní teploty je požadovaná úroveň komfortu v místnosti. Při určování úrovně komfortu se často uchylují k pojmům maximální průměrná denní teplota a bezpečnost.

Maximální průměrná denní teplota je průměrná teplota nejteplejšího dne pro danou oblast.

Pojem bezpečnost by měl být chápán podrobněji. Tento termín označuje pravděpodobnost, že teplota nepřekročí danou hodnotu. Například teplota vzduchu s pravděpodobností 0,95 znamená, že během 95 % času teplota tuto hodnotu nepřekročí. Ve zbývajících 5 % času s největší pravděpodobností překročí. Pro teplé období platí, že čím vyšší zásoba, tím vyšší hodnota teploty. Pravděpodobnost teploty vzduchu 0,98 předpokládá, že v 98 % případů ji venkovní teplota nepřekročí. A tato hodnota bude vyšší než bezpečnostní teplota 0,95.

V praxi jsem se setkal s názorem, že úroveň zabezpečení 0,95 je zcela dostačující a zároveň dosažená 95% spolehlivost uspokojí potřeby lidí v místnosti. Je ale zbývajících 5 % času tak málo, že klimatizační systém nebude zvládat své funkce? Opět platí, že 5 % roku je 438 hodin nebo více než 18 dní! Pokud vezmeme v úvahu, že v ranních a nočních hodinách je chladněji než ve dne, zjistíme, že 5 % roku odpovídá 43 pracovním dnům.

Při navrhování klimatizačního systému, který poskytuje komfort 95 % času, tedy ve skutečnosti budujete systém, který si není schopen poradit s přebytečným teplem v místnosti po dobu 1,5 pracovního měsíce. Zásoba 0,98 dostatečně nevychladí místnost po dobu 175 hodin nebo téměř 18 pracovních dnů. 99% bezpečnost odpovídá 88 hodinám nebo 9 pracovním dnům přehřátí.

Druhým kritériem pro výběr odhadované venkovní teploty vzduchu je hloubka studovaného archivu počasí. Zpravidla se používá rozbor posledních, např. pěti let. Lze uvažovat i o archivu na delší dobu – Hlubší data zpravidla nejsou pro výpočet moderních systémů zajímavá.

Pokud jde o zvýšení úrovně spolehlivosti klimatických systémů, při analýze se bere v úvahu nejteplejší rok. Pro Moskvu a řadu regionů středního Ruska to byl rok 2010. A v mnoha městech Uralu se léto 2015 ukázalo jako nejžhavější.

Konečně třetím kritériem je dotyčná denní doba. Zde jsou zpravidla dvě možnosti – buď je chlazení vyžadováno pouze přes den, nebo nonstop. Je však třeba si uvědomit, že dosažení dané úrovně komfortu v prvním případě je obtížnější než ve druhém, protože denní teplota je vždy vyšší než denní průměr.

POROVNÁNÍ FAKTICKÝCH ÚDAJŮ

Porovnejme aktuální a normativní data pro několik ruských měst – Moskvu, Petrohrad, Krasnodar a Ufu (tabulky 2 a 3). Pro Moskvu jsou uvedeny také grafy minimálních a maximálních průměrných denních teplot podle roku (tabulka 1, grafy 1 a 2).

Jak je vidět z tabulky 2, volba návrhové teploty pro Moskvu se v závislosti na kritériu může lišit od 24 do 30,6 °C. V tomto případě je standardní hodnota 26 °C. Pro Petrohrad se ukazuje, že rozsah je ještě širší – od 22 do 29,5 °C a standardní hodnota se téměř shoduje s průměrnou teplotou nejteplejšího dne.

V chladném období je situace jiná. Zde se normativní hodnota neshoduje s žádným jiným uvažovaným kritériem a rozptyl čísel je ještě větší: od -25 do -12 °C pro Moskvu; od -10 do -36,5 °C pro Petrohrad.

PŘÍKLADY VÝPOČTŮ

Řekněme, že potřebujete vybrat klimatizační systém pro kancelářský prostor v Moskvě pro 10 osob, kde je již ventilační systém, ale neobsahuje chladič ani rekuperátor. Součet veškerého přebytečného tepla, kromě tepla z venkovního vzduchu, je 7200 wattů. Požadovaná pokojová teplota je Tin = 22 °C. Zvažme kritéria pro výběr návrhové venkovní teploty v akci.

Jedno stálé pracoviště vyžaduje podle norem 60 metrů krychlových čerstvého vzduchu za hodinu. Pro 10 osob bude průtok přiváděného vzduchu G = 600 m3/h. Standardní venkovní teplota pro Moskvu je Tnar = 26 °C.

Teplo vstupující do místnosti v důsledku přívodního větrání se vypočítá pomocí vzorce

c_vzduch = 1,005 kJ/(kg °C) – tepelná kapacita vzduchu,

ρ_vzduch = 1,2 kg/m3 – hustota vzduchu.

U T_slunce = 26 °C podle vzorce (1) získáme:

Q = 1,005 · 1,2 · 600 · 3600 = 0,8 kW.

Celkový přebytek tepla v místnosti bude Q_normy = 7,2 + 0,8 = 8 kW. Podobné výpočty byly provedeny pro další vnější teploty (výsledky jsou uvedeny v tabulce 4).

Hlavním závěrem, který je třeba vyvodit z analýzy dat z tabulky 4, je, že pro zlepšení komfortu lidí v kanceláři jsou zapotřebí nepříliš velké kapitálové a provozní investice. Zvýšení chladicí kapacity systému o 3 % vede k dosažení úrovně dodávky 0,98. Zvýšení chladicí kapacity o další 2 % umožní dosáhnout bezpečnostního faktoru 0,99.

Připomeňme, že pravděpodobnost 0,98 znamená 18 dní přehřátí a pravděpodobnost 0,99 pouze 9 dní. Zvýšení chladicího výkonu o 2 % vám tedy umožní udržovat optimální mikroklima v místnosti dalších 9 dní v roce, čímž se zkrátí doba přehřívání 2krát.

Abychom byli spravedliví, podotýkáme, že snaha o úplnou absenci přehřívání, jako každý jiný závod o 100% účinnost, bude zákazníka stát poměrně hodně. Konkrétně teplotní rekord pro Moskvu je 38 °C. Pro dosažení pravděpodobnosti 1,00 je tedy nutné navrhnout systém na základě této teploty venkovního vzduchu. Přebytek tepla z přívodního větrání v tomto případě bude 3,2 kilowattů, celkový přebytek tepla je 10,4 kilowattů, relativní nárůst výkonu klimatizačního systému oproti standardnímu výpočtu je roven 30 % a v poměru k bezpečnosti Pokud bylo dříve zkrácení doby přehřívání o 9 dní způsobeno zvýšením výkonu systému o 2 %, pak zde zvýšení výkonu systému až o 9 % vede ke zkrácení doby přehřátí o 25. dny!

Ale měli bychom se podrobněji věnovat čtvrtému řádku tabulky 4. Zde mluvíme o výpočtu klimatizačního systému na základě nejteplejšího dne z hlediska průměrné denní (nikoli absolutní) maximální teploty.

Tento přístup je rozumnější než použití absolutního maxima, protože absolutní maximum je okamžitá hodnota zaznamenaná pouze po krátkou dobu, zatímco denní průměrná teplota má dlouhodobý vliv. Kromě toho se jakýkoli proces přenosu tepla vyznačuje setrvačností. Místnost nebude okamžitě vytápěna venkovním vzduchem. A v noci a ráno je reálná možnost ochladit místnost o další °C, aby se zpomalil ohřev vnitřního vzduchu během dne.

Nejteplejší den v Moskvě má ​​průměrnou teplotu 30,6 °C. Nárůst chladícího výkonu klimatizačního systému oproti standardní hodnotě je 12 % a vzhledem k dosažení bezpečnosti je bezpečnost dosažena na úrovni 0,995, neboli pouze 4,5 dne přehřívání.

PŘÍKLAD VÝPOČTU POMOCÍ ENTALPIE VLHKÉHO VZDUCHU

Nejsprávnější je však metoda, která zahrnuje stanovení požadované změny entalpie venkovního vzduchu během procesu chlazení pro dosažení dané teploty v místnosti.

Jako příklad uveďme případ, kdy se za základ berou průměrné denní ukazatele venkovního vzduchu.

Poznamenejme, že je nepravděpodobné, že bude možné najít hodnoty entalpie venkovního vzduchu v archivech počasí pro města. Bude nutné ji vypočítat dodatečně se znalostí teploty a relativní vlhkosti. Provedli jsme nezbytné výpočty, abychom identifikovali maximální průměrné denní entalpie v Moskvě podle roku (tabulka 5 a graf 3).

Maximální průměrná denní entalpie venkovního vzduchu v Moskvě byla v roce 2010 a činila 71 kJ/kg při průměrné denní teplotě 28 °C a průměrné denní relativní vlhkosti 71 %. Pro dosažení nastavené pokojové teploty 22 °C a vlhkosti 50 % (entalpie rovna 43 kJ/kg) bude požadovaný celkový chladicí výkon · 600 · 1,2 / 3600 = 5,6 kW.

Je třeba poznamenat dva důležité body.

Za prvé, proč se ve výpočtu teploty objevila maximální průměrná denní teplota 30,6 °C a ve výpočtu entalpie 28 °C? Faktem je, že průměrné denní maximum teploty a entalpie bylo v roce 2010 dosaženo v různých dnech. V době teplotního vrcholu byla vlhkost relativně nízká, takže entalpie vzduchu nebyla na maximu. V jiný den byla naopak průměrná denní teplota nižší a vlhkost vyšší, což zajišťovalo maximální průměrnou denní entalpii.

Za druhé, tepelný tok získaný dříve ve výpočtu na základě maximální průměrné denní teploty (1,7 kilowattů) je znatelně nižší než tepelný tok vypočítaný pomocí entalpické metody (5,6 kilowattů). Je to dáno tím, že v prvním případě jsme získali jasný tepelný zisk, který nezohledňoval vzdušnou vlhkost, a ve druhém případě jsme získali kompletní tepelný zisk. Při výpočtu klimatizačních systémů je vhodnější pracovat s celkovými přítoky tepla a podle toho s celkovým chladícím výkonem klimatizačních jednotek.

ZÁVĚR

Každý zákazník má samozřejmě právo samostatně si vybrat, jaké vnější podmínky bude očekávat u systémů vytápění, větrání a klimatizace ve svém vlastním zařízení. Základní hodnoty jsou uvedeny v SP 131.13330.2012 „Stavební klimatologie“. Splnění požadavků ne nižších než SP je zvláště důležité pro topný systém, ale je vysoce doporučeno pro klimatizační systémy.

Velmi logický a opodstatněný se jeví přístup, kdy se zákazníci snaží zajistit maximální komfort uvnitř objektu a přitom zůstat v přijatelném rozpočtu. Zahrnuje studium klimatu v oblasti výstavby a výběr kritérií, podle kterých bude stanovena odhadovaná teplota venkovního vzduchu. Společná analýza čísel – trvání přípustného přehřátí místnosti a relativního zvýšení nákladů na systém při zkrácení této doby – nám umožňuje provést správnou volbu konstrukčních parametrů.

Jurij Chomutskij,

technický redaktor
časopis “Climate World”