Новый метод расчета тепловой нагрузки

Рекомендации ASHRAE (Американское Общество по Системам Отопления, Вентиляции и Кондиционирования) по расчету термической нагрузки для промышленных зданий включают новую методику расчета расхода холода, именуемую метод RTS (временной ряд излучения).

Методика RTS была разработана в ходе исследований, проводившихся в течение нескольких лет и финансированных ASHRAE, в целях повышения точности расчетов и сохранения возможности применения опыта и полученных знаний инженерами-проектировщиками. Процедура основана на концепциях, знакомых по предыдущим методам, что снижает временные издержки на обучение опытного пользователя.

В настоящей статье дается обзор и ознакомительная информация по новому методу, но не приводятся детальные выводы или документация.

Оценка расхода холода

Со времени зарождения кондиционирования воздуха инженеры признавали, что существуют многие источники воздействия на расход холода, и, что фактические процессы сложны, не отражают устойчивое состояние и не могут быть определены количественно с надлежащей степенью точности. В любой момент времени энергия может поступить в помещение путем теплопроводности, конвекции и излучения через стены, крыши, пол и окна. Это может быть солнечная энергия, поступающая через окна; конвекционная и излучаемая энергия, поступающая от внутренних источников, включая освещение, людей и оборудование.

 

Рис.1 RTS для легковесной зоны

 

Темп передачи энергии от любого из этих источников различается по времени. Внутренние источники определяются типом используемого помещения и темпом эксплуатации.

Погода, солнечная энергия

Поступление солнечной энергии через окна зависит от того, куда выходит окно, от интенсивности солнечной энергии с учетом времени дня и года, а также воздействия как внутренних, так и внешних затеняющих устройств. Темп передачи тепловой энергии через стены и крышу варьируется вследствие часовых изменений температуры воздуха и интенсивности воздействия солнечной энергии на внешние поверхности.

Помимо изменчивости притока энергии по времени от различных источников, масса конструкционных материалов здания и содержимое помещений поглощают и сохраняют энергию излучения. Это вызывает ослабление и временную задержку между поступлением энергии в определенное пространство и ее преобразованием в расход холода в рамках системы кондиционирования воздуха. Помимо этого, проводимость через стены и крыши замедляется в зависимости от массы и теплоемкости материалов, использованных при строительстве.

 

Рис. 2 RTS для легких и тяжелых строений

 

Методы оценки расхода холода разрабатывались с учетом различных источников энергии и механизмов передачи тепловой энергии при аппроксимации эффекта запаздывания, вызванного массой сооружения. Предыдущие редакции Основополагающих принципов зафиксированы в рамках метода разницы совокупной эквивалентной температуры и усреднения времени (TETD/TA), метода передачи функции (TFM) и коэффициента холодильной разницы(CLTD/CLF). Каждый из них представляет собой упрощенный метод, предназначенный для аппроксимации фактических процессов. Каждый метод обладает ограничениями, основанными на встроенных предположениях и методологиях.

На основании того, что ASHRAE должно предоставить как фундаментальные научные методы, так и практические рекомендации для разрешения каждодневных проблем инжиниринга, Технический комитет 4.1 занялся разработкой единого упрощенного метода. Этот метод основан на более широкой научной базе и имеет более широкое практическое применение, по сравнению с предыдущими упрощенными методами. Таким является метод RTS.

Разработка

Цели разработки метода RTS:

  1. Обеспечить научно-обоснованные связи с базовыми принципами теплообмена;
  2. Предоставить инженерам-практикам легкий для понимания метод;
  3. Определить доли каждого источника тепловой энергии в совокупном расчетном показателе расхода холода;
  4. Интуитивный выбор данных, позволяющий легко сравнивать искомые варианты;
  5. Обеспечить возможность применения инженерных данных с учетом имеющегося опыта;
  6. Расширить возможности учета относительного воздействия предположений.

Концепция, лежащая в основе всех расчетов расхода холода, основана на том, что поступление тепла в пространство от любого источника обеспечивается за счет конвективной теплоотдачи в воздух помещения лучистой тепловой энергии от источника. Конвекционная составляющая немедленно трансформируется в холодильную нагрузку. Отданная лучистая энергия поглощается поверхностями помещения и, по прошествии некоторого времени, конвекционно передается с этих поверхностей в воздух помещения и, таким образом, трансформируется в холодильную нагрузку.

 

Рис. 3 Иллюстрация нагрузки

 

На основе такой базовой концепции разработана следующая общая процедура расчета расхода холода методом RTS для каждой составляющей нагрузки (освещение, люди, стены, крыши, окна, техника и т.д.):

  1. Рассчитать 24-часовой профиль поступления тепла на каждый компонент в течение расчетного дня (следует принять во внимание временную задержку проводимости);
  2. Разделить поступление тепла на лучистую и конвекционную составляющие;
  3. При конвертировании в холодильную нагрузку рассчитать временную задержку для лучистой составляющей;
  4. Суммировать конвекционную составляющую поступления тепла и замедленную лучистую составляющую. Определить холодильную нагрузку на каждый час для каждого компонента расхода холода;
  5. Рассчитав почасовую холодильную нагрузку для каждого компонента, суммировать эти показатели, определить суммарную почасовую холодильную нагрузку и установить, на какой час приходится пиковая часовая нагрузка.

Данная процедура подобна методам TETD/TA и TFM, приведенным в предыдущих редакциях Руководства по расчету термической нагрузки для промышленных зданий (далее Руководство).

 

Рис. 4 Временной ряд теплопроводности для стен разной конструкции

 

Временная задержка лучистой теплоотдачи

Итак, каким же образом метод RTS учитывает явление временной задержки? Метод позволяет распределить лучистое поступление тепла во времени на основании , отражающей время реакции пространства. Более массивные строения отдают поступившее тепло в течение более продолжительного времени, менее тяжелые сооружения реагируют быстрее. Эта концепция проиллюстрирована на рисунках 1 и 2. Цифровые показатели такой называются , что и дало название самому методу. Эти данные определяются путем одновременного решения ряда базовых уравнений теплового баланса для расчета холодильной нагрузки на каждый час по единичному импульсу поступления тепла в точно определенное пространство.

 

Рис. 5 Южная стена. Результаты RTS и CTS

 

Теоретически, каждому пространству присуща уникальная временной задержки, основанная на конкретных физических характеристиках конструкции этого пространства и взаимодействия источника тепловой энергии и каждой поверхностью помещения. К счастью, различия в показателях RTS в основном зависят от пространства, а воздействие различий, связанных с другими факторами, относительно невелико.

 

Рис. 6 Физическое охлаждение помещения (на примере южной зоны)

 

В главе 29 Руководства ASHRAE - Основополагающие принципы, 2001г., приведены коэффициенты RTS для репрезентативных зон легких и тяжелых строений. Данные RTS по разным строениям легко сравнимы, что позволяет инженерам оценить воздействие различных допущений в отношении характеристик здания на этапе, когда эти характеристики еще полностью не определены в процессе проектирования.

Временной ряд излучения используется при конвертировании лучистой составляющей почасового поступления тепла в почасовую холодильную нагрузку:

Qrθ = r0qrθ+ r1qrθ-1 + r2qrθ-2 + r3qrθ-3 +... ...+ r23qrθ-23

где:

Qrθ- поступление лучистого тепла за текущий час;

qrθ- поступление лучистого тепла на данный час;

qrθ-n - поступление лучистого тепла n часов назад;

r0, r1 и т.д. - временные коэффициенты.

Лучистая холодильная нагрузка за текущий час суммируется с конвекционной составляющей. Таким образом определяется суммарная холодильная нагрузка для данного компонента на этот час. На рисунке 3 показаны результаты этого процесса для внутренней нагрузки.

Временная задержка теплопроводности

Помимо задержки во времени вследствие поглощения лучистой тепловой энергии в пределах пространства, также имеет место временная задержка теплопередачи через массивные поверхности, такие как стены и крыши. Поступление тепла за счет теплопроводности происходит вследствие разницы температур внешней и внутренней поверхностей стены или крыши. Такое поступление тепла за счет теплопроводности замедляется вследствие массы различных конструкционных слоев стены или крыши. Такие слои должны поглотить поступившую энергию до того, как их температура поднимется и тепловая энергия будет передана на следующий слой. Это можно охарактеризовать временной задержки, подобной кривым RTS. Числовые значения таких кривых называются (CTS). Для стен облегченной конструкции время задержки относительно невелико, в то время как массивные стены характеризуются медленной теплоотдачей, занимающей многие часы. На рисунке 4 приведены показатели CTS для разных конструкций.

Поступление тепла за счет теплопроводности можно определить по поступлению тепла на внешнюю поверхность и с помощью CTS установить продолжительность отставания во времени. Почасовое поступление тепла за счет теплопроводности на внешнюю поверхность стены и крыши определяется уже знакомым уравнением теплопроводности:

qi = UA (te - trc)

где :

qi - - поступление тепла за счет теплопроводности на поверхность,

U - суммарный коэффициент теплообмена для этой поверхности,

A - площадь поверхности,

te - солнечная температура внешней поверхности в определенный час,

trc - постоянная расчетная температура воздуха в помещении.

Поступление тепла через стены или крышу можно рассчитать на основании показателей поступления тепла за текущий и предыдущие 23 часа и временного ряда теплопередачи:

qθ= c0qiθ+ c1qiθ-1 + c2qiθ-2 + c3qiθ-3 +... ...+ c23qiθ-23

где:

qθ- ежечасное поступление тепла на поверхность

qiθ- поступление тепла за последний час

qiθ-n - поступление тепла n часов назад

c0, c1 и т.д. - время поступления.

Расчет показателей CTS для определения параметров теплопроводности осуществляется такими же математическими методами, что и методы, разработанные за предыдущие 30 лет, поскольку расчет проектной холодильной нагрузки основан на упрощающем допущении стабильных периодических условий (почасовые условия сегодня такие же, как и в это же время вчера, позавчера и т.д.). Показатели CTS фактически показывают данные параметров теплопроводности в форме, легкой для понимания. Теплопроводность, рассчитанная по простой кривой CTS, точно совпадает с результатами расчетов на основании параметров теплопроводности при стабильных периодических условиях.

В основополагающих принципах в табличной форме приведены данные CTS для 35 репрезентативных конструкций стен и 19 репрезентативных конструкций крыш. Данные CTS позволяют сравнивать величины временной задержки, определяющиеся конструктивными особенностями стен и крыши, что позволяет инженерам более точно оценить допущения, используемые при расчетах.

На рисунке 5 показаны результаты применения CTS и RTS для расчета поступления тепла на стену и холодильная нагрузка, возникающие в связи с поступлением тепла.

Применение

Метод RTS, концепция которого проста, требует большого числа повторяющихся расчетов. Также как и оба его предшественника, методы TETD/TA и Функции теплопередачи, метод RTS наиболее удобно применять при работе на компьютере. Расчеты достаточно просты для того, чтобы выполнять их в электронной таблице, но при этом большинство поставщиков коммерческого программного обеспечения используют более сложный язык программирования для обработки большого объема данных, необходимые для расчета нагрузок для зданий с десятками или даже сотнями помещений.

Определение пиковой нагрузки

Приведенные выше примеры показывают, что часы пиковой холодильной нагрузки для отдельных компонентов не совпадают. Все индивидуальные компоненты влияют на суммарную холодильную нагрузку для данного помещения, а максимальное значение такой суммарной нагрузки может приходиться на час дня, отличный от часа достижения максимального показателя любым индивидуальным компонентом. Таким же образом, вследствие воздействия солнечной энергии пик холодильной нагрузки может фактически приходиться на зимний, весенний или осенний месяц, а не на традиционный летний месяц. Расчет для одного часа одного месяца может привести к ошибке в определении истинного пика и недостаточности подачи воздуха в определенное помещение или даже недостаточной мощности кондиционера. В то время как пиковая холодильная мощность обычно приходится на летние месяцы (в связи с кондиционированием внешнего воздуха), темп подачи воздуха в по мещение определяется в соответствии с пиковой нагрузкой для данного помещения, которая может приходиться на декабрь, если у помещения большие окна, выходящие на юг (Рисунок 6).

В этой связи расчет холодильной нагрузки следует осуществлять по 24-часовым расчетным дням каждого месяца так, чтобы определить пиковую нагрузку и, таким образом, типоразмер каждого элемента системы кондиционирования воздуха. Процедура RTS включает эту концепцию. Для того, чтобы облегчить расчет холодильной нагрузки для месяцев, отличных от летних, в таблице 4 главы 27 основополагающих принципов приведены помесячные погодные данные.

Заключение

Процедура расчета холодильной нагрузки RTS дает метод, позволяющий охарактеризовать воздействие временных задержек, возникающих в связи с внешними поверхностями и массой строения, в легкой для понимания и количественно сравнимой форме. Инженерная оценка более эффективна, если известно воздействие принятых допущений. Характеризуя временную задержку посредством визуально сравнимых и предоставляя разбивку нагрузки по компонентам, метод RTS дает эффективные инструменты для применения таких оценок.

Он также позволяет рассмотреть долю совокупной холодильной нагрузки, приходящуюся на индивидуальный компонент, что облегчает выявление потенциальных ошибок в допущениях или данных. Помимо этого, он позволяет сосредоточить внимание на тех компонентах, которые оказывают наиболее значительное воздействие на суммарную нагрузку.

Метод RTS консолидирует несколько ранее разработанных методов расчета холодильной нагрузки в единый подход, в меньшей степени зависящий от составления таблиц данных и корректировки, необходимой для адаптации этих данных к конкретным ситуациям. Метод RTS не отменяет предыдущие методы расчета холодильной нагрузки, но является логическим продуктом эволюции этих методов. Несмотря на концептуальную простоту метода RTS, по этапам расчета он сравним с предыдущими методами TETD/TA и TFM и, также как и эти методы, наиболее эффективен при выполнении расчетов на компьютере.

Стивен Ф. Брунинг, инженер-исследователь, ASHRAE

Перевод Нечаев А.



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест