Сравнение расчётов энергопотребления установками кондиционирования воздуха

О нюансах подбора исходных данных, которые касаются особенностей наружного климата (необходимых для того, чтобы определить установленную мощность и суммарный годовой процент потребления тепла, холода и других энергетических ресурсов системами ОВиК), спорят давно и пока безуспешно. Всё потому, что вопрос этот сложный и для его решения как в нашей стране, так и за рубежом, применяются разные решения. Решения могут быть основаны на таком понятии, как «типовой год», а могут требовать применения разнообразных точечных характеристик, которые, в свою очередь, будут соответствовать дискретным событиям.

Многие авторы научных работ, затрагивающие эту тему, предлагают к ознакомлению вероятностно-статистическую модель наружного климата, которая ими понимается в качестве привлечения данных, полученных из наблюдений на метеостанциях и учитывающих статистические характеристики и вероятности появления тех или иных значений климатических и метеорологических параметров (и их сочетаний, соответственно). Естественно, столь сложный подход будет требовать от обывателя огромного количества различных вычислений, чтобы прийти хотя бы к минимально возможному исходу климатических событий. Применять подобную модель каждый раз, когда требуется получить необходимые параметры для организации, например, бытовых ОВиК, будет, мягко говоря, затруднительно.

Потому некоторые исследователи предлагают к применению альтернативную модель, в которой уже употреблявшийся выше термин «вероятностно-статистическая» имеет несколько иное значение. Речь идёт о модели, которая пользуется методами теории вероятности и математической статистики, чтобы установить корреляционные соотношения между параметрами наружного климата (самыми основными, конечно же). Подобный подход позволяет избавиться в алгоритме от большого количества, по сути, ненужных в данном конкретном случае данных и сразу получить упрощённые рабочие формулы, которые будут прекрасно работать для бытовых целей и массового проектирования.

Итак, исследователи выполнили расчёт, позволяющий вычислить суммарное потребление теплоты, холода, электроэнергии и воды, затрачиваемое на обработку притока в прямоточной системе кондиционирования как за охладительный сезон, так и за отопительный период. Данные вычисления призваны показать, насколько неудобна и некорректна модель, которая использует в качестве одного из основных такое понятие, как «климатическая кривая». Прежде всего, такой сравнительный подход наглядно демонстрирует, насколько проще становится составление формул при отказе от более «традиционных» вычислительных подходов, ведь сокращается количество исходной информации и даётся лишь её аналитическое описание.

Однако не все согласились с отходом от более традиционных алгоритмов. Были проведены сравнительные вычисления, результатом которых стало определение, предполагающее, что новая модель даёт значения потребления холода за тёплый период, которые занижены почти в 4-6 раз (в зависимости от других дополнительных условий). Но здесь стоит усомниться в точности вычислений и анализа, поскольку предварительные оценки, которые можно дать по теплозатратам в отопительный сезон, демонстрируют, что при расчётах традиционной модели были допущены ошибки. По сути, значения меньше действительных примерно в 20-25 раз, что говорит о том, что во время вычислений не было произведено умножение на число часов в сутках (т.е. 24).

Так что стоит ещё раз вернуться к этому вопросу и провести сравнительный анализ эффективности двух основных подходов и сделать особый упор на данные, приведённые для более традиционной модели. Для того чтобы сопоставить данные, которые были приведены в первоначальной модели, вычисления велись для аналогичных исходных данных (насколько это в принципе было реально в заданных условиях): расход наружного воздуха, который подаётся приточной установкой, решено было принять, как равный Gп = 10000 кг/ч, при этом в тёплый сезон было предусмотрено охлаждение приточной массы в поверхностном воздухоохладителе (если была необходимость, то и с допустимой осушкой при помощи управляемого процесса охлаждения или байпаса). Помимо этого, как и в первоначальной модели, за точку отсчёта было принято то, что установки работают круглые сутки. Также исследовались два случая — для значения тепловлажностного соотношения в обслуживаемого помещения были взяты параметры, при которых εпом = 5000 кДж/кг (если имело место значительное влаговыделение) и εпом = 80000 кДж/к (если имеет место избыток явной теплоты).

При этом в рабочей зоне помещений предполагалось, что параметры будут поддерживаться на оптимальном уровне, предусмотренном в соответствии с ГОСТом. Микроклимат в тёплый период сохранялся в пределах, при которых температура воздуха была равна 24 градусам Цельсия, а уровень влажности варьировался в пределах 30-60%. Проще говоря, для расчётных наружных параметров и близких к ним уровень влажности воздуха приравнивался к наибольшему из оптимальных значений (в нашем случае к 60%), чтобы максимально сократить затраты холода на обработку притока. А при снижении влагосодержания наружного воздуха ниже требуемых значений для подобных случаев влагосодержание притока dп, которое определялось по построению на i-d-диаграмме, исходя из tв, φв, принятой температуры притока tп = tв — 5 = +19°C (как и в случае с более традиционной моделью вычислений) и величины εпом, и составило 11 г/кг для εпом = 80000 кДж/кг и 9 г/кг для εпом = 5000 кДж/кг, что позволяло считать, что процесс охлаждений приточной массы становится «сухим». Если использовать для визуализации диаграмму, то точка, соответствующая состоянию приточных воздушных масс, будет смещаться влево (туда же, куда и наружная), так что смещение получит и весь процесс изменения состояния воздуха в помещении с соответствующим уменьшением величины уровня влажности.

Для того чтобы вычислить суммарное количество потребления холода по климатической кривой, применялось выражение для связи наружной температуры (tн) и энтальпии наружного воздуха (принято за Iн в кДж/кг) вдоль кривой для климатических условий Москвы:

Iн = 0,118tн2–4,02tн + 74,8

Впрочем, при публикации исследований, предполагавших работу по вероятностно-статистической модели, в данной формуле была допущена ошибка, которая окончательно так и не была исправлена в дальнейших научных работах, опиравшихся на эти вычисления. Возможно, именно из-за этого традиционная модель и новейшая статистическая модель вычислений имеют такое значительное расхождение в данных холодопотребления. Оба варианта предполагали вычисление холодопотребления за тёплый сезон по формуле, в которой присутствует параметр числа часов в сутках (24), а также число рабочих дней в трёх летних месяцах (66). Также во внимание принималась разность энтальпий на текущий момент (кДж/кг) и приточный воздух с учётом возможного перемещения влево точки притока.

За rотн принимается относительная повторяемость соответствующего диапазона Iн в процентах, зависящего от продолжительности летнего периода. Более подробные параметры приведены в таблице.

Наглядно видно, что новейшие расчёты дают уже более сопоставимые с реальностью результаты, хотя бы по порядку величины, а вот расчёты, проведённые по более традиционной модели, дают весьма ощутимые расхождения, во-первых, между собой, а, во-вторых, с теми данными, которые были получены с учётом всех описанных выше нюансов при вычислении с помощью вероятностно-статистической модели. Разница весьма существенная и достигает она даже десятки раз, так что ещё раз можно сделать упор на то, что первоначальная вычислительная модель содержала в себе немало ошибок.

При этом остающееся определённое занижение затрат холода, о котором шла речь выше, для малых εпом может быть связано с тем обстоятельством, что прирост энергозатрат на охлаждение приточных масс при отклонении от наружных параметров от климатической кривой в сторону более высоких влагосодержаний оказывается выше, чем их уменьшение при перемещении точки состояния наружных масс от кривой влево. Но в принципе эти условия можно скорректировать путём корректировки самой климатической кривой и её сдвигом на i-d-диаграмме вправо.

В целом, можно говорить о том, что климатическая кривая позволяет довольно точно рассчитать уровень холодопотребления, затрачиваемого на обработку приточных воздушных масс в системах ОВиК в тёплое время года. Особенно если имеют место малые влаговыделения в помещении. Естественно, говорить об актуальность данного метода можно только в тех случаях, если вычисления были выполнены корректно и использовались правильные выражения для связи tн и Iн.