Особую актуальность вопрос предварительного расчета энергопотребления приобретает в настоящее время в связи с принятием Закона РФ «Об энергосбережении...» № 261-ФЗ [1], а также с учетом развивающегося сейчас глобального потепления. В то же время имеющиеся в нормативных и справочных документах данные по параметрам наружного климата требуют достаточно сложных вычислений для достижения необходимой точности, что неприемлемо в практике массового проектирования с учетом ограниченных сроков работ.

В ходе решения этой проблемы ранее уже проводились определенные исследования. Так, в публикациях [2, 3] были приведены результаты обработки первичной климатической информации и получена модель климата, предназначенная для анализа режимов работы систем кондиционирования воздуха, работающих в различное время суток. Однако на основе этой модели можно достаточно детально анализировать энергопотребление, но очень затруднительно получить более точные параметры наружного воздуха с заданной обеспеченностью для инженерных расчетов.

Поэтому представляется целесообразным дальнейшее изучение данного вопроса и решение следующих первоочередных задач: исследование вероятностно-статистических закономерностей соотношения параметров наружного климата в различных районах РФ; вычисление расчетного показателя для оценки затрат холода на обработку притока в теплый период года — градусосуток охладительного периода Ddx — для различных районов строительства в пределах РФ; анализ полученных результатов для установления вероятностно-статистической связи значений Ddx с другими климатическими факторами.

Для исследования закономерностей соотношения климатических параметров для нескольких городов РФ были построены климатические кривые, соединяющие точки на i—d-диаграмме с наиболее вероятным сочетанием температуры наружного воздуха tн [°С], и его относительной влажности ?н [%] [4]. Для каждого района такая кривая проходит от точки, изображающей параметры «Б» для холодного периода года, до точки с параметрами «Б» в теплый период по данным [5]. Значения tн, ?н и повторяемости их сочетаний здесь были взяты из [6]. Первоначально по этим сведениям строилась соответствующая диаграмма tн—?н [4], после чего на нее наносилась климатическая кривая. Пример такой диаграммы для климатических условий города Москвы показан на рис. 1. Затем кривая переносилась уже на i—d-диаграмму для дальнейших построений. Аналогичным образом эта задача была решена и для других населенных пунктов (Екатеринбург, Ростов-на-Дону, Самара, Санкт-Петербург, Томск).

Далее на i—d-диаграмме для этих же шести городов с учетом их климатических особенностей были изображены процессы обработки воздуха при его кондиционировании. Так как в теплый период в общем случае может потребоваться охлаждение с осушкой, для расчета затрат холода необходимы данные не только по температуре, но и по энтальпии наружного воздуха. Именно для этого мы и переносим нашу климатическую кривую на i—d-диаграмму с уже построенными на ней процессами обработки притока. На рис. 2 показано изменение процесса обработки воздуха в течение охладительного периода, то есть периода, когда текущая наружная температура превышает необходимую температуру притока, то есть tнi > tп? .

Здесь точки Нi соответствуют текущему состоянию наружного воздуха. Они располагаются вдоль климатической кривой и, таким образом, с изменением tнi меняется и их влагосодержание. Линия П—В—У изображает процесс изменения состояния воздуха в кондиционируемом помещении в расчетном летнем режиме, то есть когда точка Н совпадает с НБ. Точка состояния внутреннего воздуха В при этом фиксируется, исходя из оптимального сочетания температуры tв = +24 °C (средняя из оптимальных в теплый период по [7]) и относительной влажности ?в = 60 % (максимальная из оптимальных по [7] из условия минимизации затрат холода). Тогда требуемое состояние притока П получается по построению процесса изменения состояния воздуха в кондиционируемом помещении, исходя из соотношения теплои влагоизбытков, определяющего угловой коэффициент ?пом [кДж/кг] луча процесса П—В—У. В промежуточных режимах, пока влагосодержание Нi больше, чем исходное в точке П (на рис. 2 — для i от 1 до 4), охлаждение будет осуществляться с осушкой, а точка П будет фиксированной. Когда же текущее влагосодержание Нi становится меньше исходного в точке П (на рис. 2 для i = 5 и 6), охлаждение становится «сухим», а фактическое положение точки П смещается вдоль линии tп = const влево вслед за Нi. Следует только иметь ввиду, что для учета последующего подогрева в вентиляторе реальный процесс охлаждения должен продолжаться за точку П до линии tп? = const, где tп? = tп — (0,5...1°).

Дальнейшие расчеты проводились в следующем порядке. Годовой расход холода Qx.год [МДж/г] можно представить в виде выражения [4]:

где Gп — расход приточного воздуха, кг/ч; св = 1,005 кДж/(кг?К) — удельная теплоемкость воздуха; zi — число часов стояния наружной температуры в интервале от tнi до (tнi + 1), определяемое по климатическим данным [6]; tнi — текущая температура наружного воздуха, °С; tп? — требуемая температура охлажденного воздуха перед вентилятором, °С.

С другой стороны, можно записать следующую формулу:

где zp — число часов в сутки, когда вентиляционное оборудование работает, в среднем за неделю; Dd x — градусо-сутки охладительного периода, К?сут.

Теперь приравниваем уравнения (1) и (2) и выражаем величину Ddx, откуда получаем следующее:

Аналогичным образом при расчете по полной теплоте находим:

где Iнi, Iп? — величины текущих энтальпий наружного и охлажденного воздуха, соответственно.

Заметим при этом, что, хотя в [6] приведены данные, основанные на круглосуточных наблюдениях температуры, все же для охладительного периода, в отличие от отопительного, корректировку этих значений для рабочего времени проводить не нужно, так как практически во всех случаях условие tнi > tп? выполняется только в течение zp.

Неоднозначность в продолжительности рабочего времени можно устранить тем, что следует всегда принимать одну и ту же величину zp, например, 24 часа, как это фактически было сделано в расчетах. Дело в том, что в соответствии с формулой (2) основной физический смысл имеет произведение Ddx и zp, поэтому для правильной оценки суммарных затрат холода достаточно всякий раз использовать то же самое значение zp? , к которому был отнесен параметр Ddx. Это связано именно с тем обстоятельством, что необходимость охлаждения притока имеет место практически только в рабочее время, из-за чего добавление ночных периодов на общий расход холода не влияет.

Далее с использованием выражений (3) и (3а) и построенных климатических кривых были проведены расчеты по определению Ddx для перечисленных городов России. Для ускорения и упрощения вычислений, связанных с обработкой большого массива данных, была разработана программа для ЭВМ на алгоритмическом языке Fortran. По результатам расчетов были построены зависимости значений Ddx от принятой величины tп? для каждого рассмотренного города. Пример такой зависимости для Москвы приведен на рис. 3. Легко увидеть, что обнаруживаемая регрессия близка к линейной, причем аналогичный вид она имеет и для других городов. Для Москвы ее можно описать простейшей формулой Ddx = 18(29 — tп? ).

Коэффициент корреляции r при этом достигает 0,999, поэтому данная аппроксимация очень хорошо описывает реальную связь Ddx и tп? . В общем виде соответствующее уравнение регрессии будет иметь вид:

По своему физическому смыслу tmax представляет собой максимальный уровень tп? , при котором не требуется специального охлаждения притока, поскольку текущие значения tнi практически всегда будут ниже, чем tп?, с обеспеченностью, близкой к 1. Тогда охладительный период как таковой уже отсутствует. Что же касается параметра А, сопоставление формулы (4) с определением обычной величины градусо-суток отопительного периода Dd показывает, что формально А соответствует продолжительности охладительного периода zохл [сут.]. Заметим, что рис. 3 свидетельствует о практическом отсутствии влияния tп? на А. По-видимому, это связано с тем же обстоятельством, а именно что необходимость охлаждения притока имеет место в основном в рабочее время, вследствие чего от tп? будет зависеть исключительно текущая разность температур (tнi — tп? ).

Путем обработки данных для всех исследованных населенных пунктов для коэффициентов А и tmax можно получить следующие зависимости, представленные на рис. 4. В качестве основного параметра при этом была принята температура наружного воздуха по параметрам «Б» (tнБ) в теплый период по данным [5].

Нетрудно убедиться, что уравнение регрессии для коэффициента А:

Коэффициент корреляции здесь равен 0,98, поэтому данная аппроксимация тоже является практически достоверной. Уравнение для tmax имеет вид:

В данном случае коэффициент корреляции несколько ниже и составляет примерно 0,9, но это все же достаточно большая величина, поэтому формула (6) также является достаточно удачным приближением реального соотношения между tmax и tнБ.

Таким образом, мы получили методику вычисления основной характеристики охладительного периода — его градусосуток Ddx — и способ ее использования для оценки затрат холода на обработку приточного воздуха в системах его кондиционирования в теплый период года. Методика имеет простой и инженерный вид и может быть реализована в практике массового проектирования.


1. Федеральный закон Российской Федерации от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

2. Малявина Е.Г., Крючкова О.Ю. Методика оценки энергозатрат и расхода воды для поддержания микроклимата помещений на различном уровне и для выявления наиболее энергоэкономичного способа обработки воздуха в центральном кондиционере // Фасадные системы, № 2/2010.

3. Малявина Е.Г., Крючкова О.Ю. Вероятностно-статистическая климатическая модель для расчетов энергопотребления системами кондиционирования воздуха // Вестник МГСУ, № 3/2011, Т. 1.

4. Кувшинов Ю.Я., Самарин О.Д. Основы обеспечения микроклимата зданий. — М.: Изд-во «АСВ», 2012.

5. СНиП 23-01—99*. Строительная климатология. — М.: ГУП ЦПП, 2004.

6. Строительная климатология: Справ. пос. к СНиП 23-01—99* / Под ред. В.К. Савина. — М.: НИИСФ, 2006.

7. ГОСТ 30494–96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. — М.: ГУП ЦПП, 1999.