CC BY
43
7/)П11 ВЕСТНИК
J/20!j_мгсу
СРАВНЕНИЕ МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
COMPARISON OF METHODS FOR DETERMINING ENERGY PERFORMANCE OF AIR-CONDITIONING SYSTEMS
О.Ю. Крючкова O. Kryuchkova
ГОУ ВПО Московский ГСУ
Приведено сравнение результатов расчета энергозатрат на прямоточные системы кондиционирование воздуха, работающие в различное время суток, по существующим методикам и по предлагаемой методике.
The comparison of calculation results on energy through-flow air conditioning systems operating at different times of day, on existing methods and proposed method.
Для экономии энергетических ресурсов важно достаточно точно определять энергозатраты на кондиционирование воздуха (KB) в здании как для оценки будущих энергопотреблений, так и для проектирования наиболее энергоэкономичных вариантов.
На кафедре отопления и вентиляции МГСУ разработана универсальная методика для расчета на ЭВМ энергозатрат и количества воды, расходуемых системами КВ. Методика включает в себя климатическую основу, представляющую собой вероятностно-статистическую модель [3], полученную путем прямой обработки данных первичных наблюдений за ограниченный период. Климатическая модель представляется в виде таблиц фактических повторяемостей ячеек сочетаний температуры наружного воздуха с градацией 2 °Си относительной влажности с градацией 5 %. Модель отражает вероятность наблюдения любого из имевших место сочетания параметров за принятые к рассмотрению года. Были разработаны таблицы для 8-ми различных отрезков времени суток разной продолжительности: сутки в целом, с 9 до 18, с 18 до 9, с 8 до 20, с 20 до 8, с 7 до 15, с 15 до 23 и с 23 до 7 часов [4]. Разработанные вероятностно-статистические модели климата г. Москвы могут применяться для расчетов энергопотребления при различных схемах обработки приточного воздуха для интервалов времени суток, близких к фактическому рабочему дню системы КВ.
Также методика включает программу для ЭВМ расчета энергопотребления. Алгоритм расчета составлен на основе перебора упомянутых выше ячеек сочетаний температуры и относительной влажности воздуха от минимальных до максимальных значений. Для каждого сочетания элементов климата, относящегося к центру ячейки, определяется его принадлежность к климатической зоне, в которой обработка наружного воздуха осуществляется одним набором аппаратов КВ.
Программа для ЭВМ позволяет оценить расходы энергии и воды за расчетный период (год, сезон, месяц) каждым аппаратом обработки воздуха в каждой климатиче-
ВЕСТНИК 7/2011
ской зоне. Формулы для расчета требуемых расходов теплоты, холода, воды и электроэнергии известны и приведены в соответствующей научной и справочной литературе, например [1].
Целью статьи является выявление преимуществ, которые дает предлагаемая методика по сравнению с существующими, разработанным ЯД. Пекером [5] и Ю.Я. Кувшиновым [2]. Для этого выполнено сравнение результатов расчета энергопотребления. Сразу следует оговорить, что для корректности сравнения результатов расчета все исходные климатические данные для методик Я.Д. Пекера (методика 1) и Ю.Я. Кувшинова (методика 2) рассчитывались по тем же данным, что и для предлагаемой.
Важно отметить, что ни в методике Я.Д. Пекера, ни в методике Ю.Я.Кувшинова фактически нет зоны без обработки воздуха; нет учета воды, расходуемой в блоке увлажнения; нет выделения зоны обработки кондиционируемого воздуха с увлажнением и осушкой в охладителе; нет возможности применить методику к управляемым процессам охлаждения и увлажнения. Поэтому все расчеты были выполнены для схемы со вторым подогревом.
Основу инженерных методик 1 и 2 составляют выбор климатологической информации и оценка средних параметров наружного воздуха, а также продолжительности работы определенного состава аппаратов в каждой зоне.
В методике Я.Д. Пекера весь годовой период разделен на три зоны. Границами зон являются изоэнтальпы расчетных зимних и летних точек росы приточного воздуха (.Тт.р. 3 и .Тт.р.л). В качестве текущих параметров наружного воздуха приняты и приведены для ряда городов средние за месяц значения энтальпии .Тн, относящиеся к трем отрезкам времени суток: с 0 до 8, с 8 до 16 и с 16 до 24 часов. Один из трех режимов работы установки КВ выбирается следующим образом: 1 зона - 1н< .Тт.р.з, когда работают воздухонагреватели первой и второй ступеней, и осуществляется изоэнтальпиче-ское увлажнение, 2 зона - .Тт.р.з <1н < .Тт.р.л, когда работает воздухонагреватель второй ступени и изоэнтальпическое увлажнение, и 3 зона - 1т.р.л<1н , когда работает воздухонагреватель второй ступени и воздухоохладитель, т.е. осуществляется политическое охлаждение с последующим сухим подогревом. Средняя за каждый месяц температура наружного воздуха используется только в расчетах теплопоступлений в помещение, а энтальпия - в расчетах энергопотребления. Так как для учета различной продолжительности работы систем в течение суток Я.Д. Пекером приняты средние климатологические данные для трех периодов суток, расчет для других режимов работы системы делается менее точным. Методика 1 позволяет определить расходы теплоты, холода, а также электроэнергии на работу электродвигателей вентиляторов, насосов и холодильной машины для прямоточных и с переменной первой рециркуляцией установок КВ, регулируемых по методу точки росы.
В методике Ю.Я.Кувшинова климатическая база основана на том, что от кривых изменения температуры и энтальпии наружного воздуха в течение года, принятых гармоническими, отсекаются части, лежащие ниже зимней и выше летней точек росы, определяющие продолжительность работы воздухонагревателя первой ступени и холодильной машины. Методика 2 разделяет годовой цикл работы установки на три зоны (1- с работой воздухонагревателя 1 подогрева, 2- с работой холодильной машины, 3- с работой только воздухонагревателя 2 подогрева). Для расчета энергопотребления используются средние за время работы системы в каждой из трех зон параметры наружного воздуха, определяемые с помощью специальных коэффициентов для учета времени суток и продолжительности работы системы по климатической информации, приведенной в СНиП [6]. Значительным достоинством приведенного метода является
7/)п11 ВЕСТНИК _^/2отт_мгсу
его относительная простота и доступность. Методика 2 позволяет определить расходы теплоты, холода, а также электроэнергии на работу электродвигателей вентиляторов, насосов и холодильной машины не только для прямоточных, но и с первой и второй рециркуляцией систем КВ. Затраты теплоты разделены по ступеням подогрева.
Расчеты по предлагаемой методике выполнены в двух вариантах определения энергопотребления: за год в целом (методика 3) и помесячно (методика 4). Помесячный расчет позволяет при необходимости учесть изменение в течение года луча процесса обработки воздуха в самом помещении (здесь не использовалось), а также дает возможность исключить «нелогичные» режимы работы установки КВ. При вычислениях за рамками расчетных параметров наружного воздуха принимаются расчетные мощности аппаратов КВ. Важно, что продолжительность работы каждого аппарата и его энергопотребление определяются сложением длительностей работы этого аппарата при всех сочетаниях параметров наружного воздуха, принадлежащих климатической зоне.
В табл. 1 приведены результаты расчетов показателей энергопотребления прямоточной СКВ со вторым подогревом.
Так как предлагаемая автором статьи методика по существу является прямым счетом показателей энергопотребления различными аппаратами КВ с учетом длительности наблюдения каждого сочетания температуры наружного воздуха в диапазоне 2 °С и относительной влажности в диапазоне 5 %, то его можно считать наиболее точным. Предлагаемая методика представлена двумя возможными вариантами: определение показателей энергетических затрат за год в целом и суммой за каждый месяц отдельно (в последнем варианте исключены «нелогичные» режимы работы СКВ, например, подогрев приточного воздуха в июле в течение незначительного периода времени). Учет «нелогичных» режимов дает отклонение в диапазоне от 0,5 до 10,9 %.
В табл. 2 приведены отклонения результатов расчетов по методикам 1, 2 от результатов, полученных по методикам 3, 4.
Интересно отметить, что изменение климатологических данных приводит к расхождению показателей теплопотребления на 5,4 %, холодопотребления на 1,9 % в методике 1 и к расхождению показателей теплопотребления на 13,0 %, холодопотребления в 22,5 раза в методике 2.
Зона, в которой нет необходимости проводить обработку приточного воздуха в аппаратах СКВ, и, как сказано выше, не учитывается в методиках 1 и 2, составляет от всего времени работы для периода с 9 до 18 часов за год не менее 131 ч.
Наибольшие значения по показателям тепло- и холодопотребления дает методика ЯД. Пекера. Наиболее низкие значения холодопотребления дает методика Ю.Я.Кувшинова. Из результатов сравнения видно, что результаты расчета по предлагаемой автором статьи методике дает средние по показателям результаты. Методика Я.Д. Пекера позволяет сравнивать только общее значение потребляемой теплоты на 1 и 2 подогрев и их превышение над результатами, полученными по предлагаемой методике, колеблется в интервале 34-44 %. Количество потребляемого холода в методике 1 выше относительно методик 3 и 4 не менее чем на 15%.
По методике Ю.Я.Кувшинова длительность работы различных аппаратов КВ хорошо совпадает с полученными по методикам 3 и 4. Но, в описании методики [2] не приведены разъяснения о способе получения вводимых безразмерных коэффициентов, что затрудняет понимание получения столь низких уровней холодопотребления системами КВ.
Таблица 1. Сравнение годовых затрат теплоты, электроэнергии и воды на обработку приточного воздуха по методикам 1 -Я.Д. Пекера, 2 - Ю.Я.Кувшинова, 3 - по предлагаемой расчетом за целый год, 4 - по предлагаемой расчетом по месяцам
Методика Расход теплоты воздухонагревателем 1-ой ступени (ВН1), МДж Продолжительность работы ВН1, ч Расход теплоты воздухонагревателем 2-ой ступени (ВН2), МДж Продолжительность работы ВН2, ч Общий расход теплоты, МДж Расход воды в сотовом увлажнителе, кг Расход холода от холодильной машины (ХМ), МДж Продолжительность работы ХМ, ч Расход электроэнергии на перемещение воздуха, кВт-ч Продолжительность работы вентилятора, ч
Период с 9 до 18 часов
1 - 1356,0 - 2340,0 320210 - 11789 399,3 5108 2340,0
1* - 1356,0 - 2340,0 338342 - 11574 200,0 5108 2340,0
2 106850 1176,9 110276 2348,8 217126 - 3247 305,0 5168 2349,0
2* 139415 1259,0 110275 2348,8 249690 - 145 106,5 5168 2349,0
3 120968 1249,3 89433 2214,7 210401 32428 9945 262,0 5160,8 2346,0
4 120480 1217,4 86901 2091,0 207382 32046 9293 209,0 5150 2280,0
Период с 7 до 15 часов
1 - 1206,0 - 2080,0 330575 - 11574 200,0 4524 2056,3
2 96692 1059,0 98023 2088,0 194715 - 1511 207,3 4593 2088,0
3 112851 1143,3 79775 1971,4 192626 27256 8355 206,6 4589,2 2086,0
4 111477 1104,0 74039 1931,3 185517 26511 7438 119,6 4575 2079,0
Период с 15 до 23 часов
1 - 1206,0 - 2080,0 322138 - 11574 200,0 4524 2056,3
2 99859 1086,3 98023 2088,0 197882 - 46 62,7 4593 2088,0
3 108679 1119,7 78948 1954,4 187627 27590 7829 207,8 4589,2 2086,0
4 107962 1086,4 76565 1850,6 184527 27223 7294 160,8 4575 2079,0
Примечание: * - при авторских климатологических данных
7/2011 ВЕСТНИК _7/20тт_мгсу
Таблица 2. Отклонение результатов расчета годовых затрат теплоты, электроэнергии и холода на обработку приточного воздуха («+» в большую сторону, «-» в меньшую) по методикам 1 - Я.Д. Пекера, 2 - Ю.Я.Кувшинова от 3 - по предлагаемой расчетом за целый год, 4 - по предлагаемой расчетом по месяцам ( %)
По расходу По расходу По расходу
Невязка между мето- теплоты воздухонаг- теплоты воздухонаг- По общему По расходу холода электроэнергии на
диками ревателем ревателем расходу перемеще-
1-ой ступе- 2-ой ступе- теплоты ние воздуха
ни ни
Период с 9 до 18 часов
1 и 3 - - +34,29 +15,64 -1,03
2 и 3 -11,67 +18,90 +3,10 -67,35 +0,14
1 и 4 - - +35,24 +21,17 -0,82
2 и 4 -11,31 +21,20 +4,49 -65,06 +0,35
Период с 7 до 15 часов
1 и 3 - - +41,73 +27,81 -1,44
2 и 3 -14,32 +18,62 +1,07 -81,92 +0,08
1 и 4 - - +43,88 +35,74 -1,13
2 и 4 -13,26 +24,47 +4,72 -79,69 +0,39
Период с 15 до 23 часов
1 и 3 - - +41,76 +32,36 -1,44
2 и 3 -8,12 +19,46 +5,18 -99,41 +0,08
1 и 4 - - +42,72 +36,98 -1,13
2 и 4 -7,51 +21,89 +6,75 -99,37 +0,39
Энергозатраты по методике Я.Д. Пекера определяются суммированием по каждому месяцу отдельно с возможностью учета времени работы установки кондиционирования воздуха. Продолжительность работы каждого аппарата в методике 1 определяется суммой длительностей его работы в течение целых месяцев со среднемесячной энтальпией, относящей месяц к режиму работы этого аппарата. Значительное превышение холодильной нагрузки в методике 1 можно отчасти объяснить тем, что не рассматривается возможность работы установки в режиме, когда косвенным образом в процессе адиабатического увлажнения происходит снижение нагрузки на холодильную машину за счет понижения температуры обрабатываемого воздуха при постоянной энтальпии в увлажнителе.
Выявленные преимущества предлагаемой методики расчета энергетических показателей состоят в получении климатической базы прямой обработкой исходных климатических данных [3]; в том, что методика с большей детальностью позволяет рассмотреть работу систем КВ в течение года и определить энергозатраты прямым счетом для каждого из возможных сочетаний температуры и относительной влажности наружного воздуха. По результатам проводимого исследования можно сделать вывод, что предлагаемая методика может реально отразить энергопотребление системами кондиционирования воздуха. Она дает возможность определить отдельно расход теплоты на 1 и 2 ступени подогрева, холода, электрической энергии, потребляемой электродвигателями, а также затраты воды на увлажнение в течение года. Есть возмож-
ВЕСТНИК 7/2011
ность достаточно точного определения времени работы того или иного аппарата обработки воздуха.
Литература
1. Белова Е.М. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях. М.: Еврок-лимат, 2006.
2. Кувшинов Ю. Я. Расчет годовых расходов энергии системами вентиляции и кондиционирования воздуха // ABOK. 2006. № 7. - с. 15-18.
3. Малявина Е.Г., Крючкова О.Ю. Вероятностно-статистическая климатическая модель для расчетов энергопотребления системами кондиционирования воздуха//Научно-технический журнал Вестник МГСУ.2011.№ З.Т.1. - с. 389-394.
4. Метеорологическая обсерватория Географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова. Материалы срочных наблюдений за 1986 - 2000 г.
5. Пекер Я.Д., Мардер Е.Я. Справочник по выбору оборудования для кондиционирования воздуха. К.: Будевельник,1990.
6. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология // Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП,
2003.
Literature
1. Belova E.M. Central air-conditioning systems in buildings. M.: Evroclimate, 2006
2. Kuvshinov Y.J. Calculation of annual energy consumption by ventilation and air conditioning systems//AVOK. 2006. № 7.- p. 15-18
3. Malyavina E.G., Kryuchkova O.Y. The stochastic-statistics climate model for calculations of power consumption by air conditioning systems / / Scientific and technical journal Messenger of MGSU. 2011. № 3.T.1 .- p. 389-394
4. Meteorological Observatory of Geographical Department of Lomonosov Moscow State University. Materials of urgent observations in 1986 - 2000.
5. Packer J.D., Marder E.J. Guide to the selection of the equipment for air conditioning. K.: Budevelnik, 1990
6. SNiP 23-01-99 *. Building Climatology // Gosstroi of Russia (State Committee for Construction). - M.: GUP ZPP, 2003.
Ключевые слова: система кондиционирования воздуха, климатические данные, повторяемость, тепловлажностное сочетание, вероятностно-статистическая модель, методика, энергопотребление, зона обработки, режим работы
Key words: Air conditioning system, the meteorological data, repeatability, heat and humidity area combinations, the stochastic - statistics model, the methodology, power consumption, the processing zone, the operation mode
e-mai: freedomsofrozen@gmail.com
