Расчетные параметры наружного воздуха для систем кондиционирования или десять лет спустя

По материалам книги «Искусство хладотехники», Семенов Юрий Владимирович.

Параметры наружного воздуха являются основой для проектирования систем кондиционирования воздуха (СКВ), так как они определяют расчетные тепло- и влагопоступления от наружного воздуха и влияют на подбор оборудования для СКВ.

Десять лет назад в статье [1] автором были рассмотрены актуальные в то время нормы, в которых определялись расчетные параметры наружного воздуха для СКВ (так называемые параметры Б).

Много воды утекло с тех пор, на смену Строительным Нормам и Правилам (СНиП) пришли Своды Правил (СП), которые, в свою очередь, успели несколько раз обновиться.

В данной статье рассматриваются подходы к определению параметров Б, основанные на действующих СП.

Немного истории

Как известно, состояние влажного воздуха однозначно определяется комбинацией любых двух из следующих параметров [2]:

•  температуры по сухому термометру,

• относительной влажности воздуха,

• удельной энтальпии,

• влагосодержания,

• температуры по мокрому термометру.

Поэтому для задания расчетных параметров наружного воздуха также может быть использована комбинация только двух параметров. Остальные параметры определяют из id-диаграммы (рис. 1) или расчетным путем.

Рис. 1 . Параметры влажного воздуха на id-диаграмме

Еще в последних редакциях СНиП «Отопление, вентиляция и кондиционирование» [3, 4] указывалось, что расчетные параметры наружного воздуха следует брать из СНиП «Строительная климатология» [5].

В качестве первого параметра традиционно принималась температура по сухому термометру. Учитывая, что расчетная температура соответствует максимальной температуре наружного воздуха, которая достигается около 15 часов, в качестве второго параметра принималась относительная влажность воздуха в 15 часов [1].

Таким образом параметры Б по [3 и 4] — это данные из таблицы 2 [5]:

• температура воздуха обеспеченностью 0,98 (графа 4),
• средняя месячная относительная влажность в 15 часов наиболее теплого месяца (графа 9).

После введения вместо СНиП Сводов Правил (СП) СНиП [4] был заменен на СП [6] (последняя редакция вышла в 2020 году), а СНиП [5] — на СП [7] (последняя редакция вышла в 2018 году). Параметры наружного воздуха для теплого периода года приведены в [7] в таблице 4.1.

СП [6] также предписывал принимать расчетные параметры наружного воздуха для систем кондиционирования воздуха по СП [7]. Но в самих СП [7] появилась дополнительная таблица 10.1, в которой указывалось, как следует определять параметры Б (рис. 2).

Рис. 2 . Таблица 10.1 из СП 131.13330.2012

Как видно из этой таблицы, в качестве параметров Б следовало применять:

• температуру воздуха по таблице 4.1, графа 4 (температура воздуха обеспеченностью 0,98);

• удельную энтальпию по приложению А, рисунок А6.

Если мы откроем приложение А [7] , то обнаружим там схемати­ческие карты формата А4, на которых изображено районирование огромной территории России по различным параметрам.

Причем указанное в таблице 10.1 приложение А6 там отсутствует, а схематическое карта районирования территории России по удельной энтальпии наружного воздуха в теплый период года (параметры Б) приведена в приложении А5 (рис. 3).

Рис. 3 . Приложение А5 из СП 131.13330.2012 (2018)

Для того, чтобы определить второй параметр Б — удельную энтальпию — нужно выполнить следующие действия:

• отыскать на этой карте требуемый населенный пункт (там указаны только крупные города);

• определить зону, к которой он относится;

• принять решение, какую расчетную энтальпию взять (диапазон изменения энтальпии в пределах одной зоны составляет 4…4,2 кДж/кг).

Точность определения расчетной энтальпии при этом оставляет желать лучшего.

В последней редакции СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» [8] сделана попытка определить параметры для расчета СКВ напрямую, не обращаясь к СП 131.13330 «Строительная климатология»:

5.13 Заданные параметры микроклимата в помещениях жилых, общественных, административно-бытовых и производственных зданий следует обеспечивать в пределах расчетных параметров наружного воздуха для соответствующих районов строительства, принятых по СП 131.13330:

…

параметры Б ‒ для систем отопления, вентиляции и воздушного душирования в холодный период года, а также для систем кондиционирования в теплый и холодный периоды года.

Величину удельной энтальпии и влагосодержания наружного воздуха в теплый период года (параметры Б) следует принимать по приложению П (для систем кондиционирования представленных городов), а для других населенных пунктов – принимать максимальной из указанных для данного климатического района по приложению А СП 131.13330.2018 (рисунок А.6).

 

В таблице П.1 «Энтальпия и влагосодержание наружного воздуха в теплый период года для расчета систем кондиционирования» приложения П приведены всего 36 городов, для которых в качестве параметров Б указаны:

• удельная энтальпия наружного воздуха, кДж/кг;

• удельное влагосодержание наружного воздуха г/кг.

Для других населенных пунктов следует руководствоваться схематической картой районирования А5 СП [9] (как на рис. 3) и в качестве параметра Б определять по ней максимальную энтальпию для данного климатического района.

В таблице 1 представлена эволюция нормативных документов, определяющих параметры Б для СКВ.

Таблица 1. Параметры Б по нормативным документам

В чем проблема

В таблице П.1 [8] приведены два параметра Б только для 36 крупных городов, что составляет менее 8 % от общего количества населенных пунктов, перечиcленных в таблице 4.1 [9].

Для оставшихся 92 % населенных пунктов мы обязаны найти значение второго параметра Б, чтобы однозначно определить расчетное состояние наружного воздуха.

Получается какая-то дискриминация по территориальному признаку. Для одних населенных пунктов мы имеем два явно указанных в СП [8] параметра (энтальпия и влагосодержание), а для других один параметр (энтальпию) мы должны приблизительно определить по карте А5 в СП [9], а второй (влагосодержание) мы должны взять откуда-то сами. Но данных по влагосодержанию наружного воздуха в СП [9] нет.

Но в таблице 10.1 СП [9], на который также ссылается п. 5.13 СП [8], явно указано, что параметрами Б являются температура и удельная энтальпия (рис. 4).

Рис. 4 . Таблица 10.1 из СП 131.13330.2018

Поэтому, в связи с выходом последней редакции СП «Отопление, вентиляция и кондиционирование» [8], возникают закономерные вопросы:

1.     Как определять расчетное удельное влагосодержание наружного воздуха для населенных пунктов, не вошедших в таблицу П.1, если из карты районирования мы можем получить только энтальпию?

2.     Как определять расчетную температуру и относительную влажность воздуха для указанных в таблице П.1 городов — из таблицы 4.1 СП [9] или расчетом по удельной энтальпии и влагосодержанию из таблицы П.1 СП [8]?

Как определить расчетное влагосодержание

Чтобы обеспечить единообразие в определении параметров Б, мы должны для населенных пунктов, не вошедших в таблицу П.1 СП [8], определять влагосодержание расчетным путем по температуре (таблица 4.1 графа 4) и энтальпии с карты А5 СП [9].

Известно, что энтальпия i (кДж/кг) связана с температурой t (°С) и влагосодержанием d (кг/кг) следующей формулой [2]:

i = 1,006·t + d·(2501 + 1,805·t )                                            (1)

Расчетную температуру по сухому термометру (параметр Б) мы можем взять непосредственно из таблицы 4.1 графа 4 СП [9], как предписывает таблица 10.1 этого СП.

Тогда из формулы (1) мы сможем вычислить расчетное влагосодержание d_Б, если мы знаем расчетную энтальпию i_Б и расчетную температуру t_Б (параметр Б):

d_Б = (i_Б – 1,006·t) / (2501 + 1,805·t )                                    (2)

Таким образом, чтобы получить оба расчетных параметра (энтальпию и влагосодержание) мы должны проделать дополнительные расчеты.

Как определить расчетную температуру и относительную влажность

Для 36 городов, перечисленных в таблице П.1 СП [8], создается неопределенность в вычислении расчетной температуры воздуха по сухому термометру:

• с одной стороны, эта температура может быть определена расчетом из формулы (1) по заданным в таблице П.1 СП [8] энтальпии и влагосодержанию;

• с другой стороны, эта температура однозначно указана в таблице 10.1 СП [9] как температура в графе 4 таблицы 4.1.

Знание температуры по параметрам Б необходимо для корректного подбора воздушных конденсаторов, о чем говорится в самом СП [8] (п. 8.15), а также моноблочных чиллеров с воздушными конденсаторами, наружных блоков VRF- и сплит-систем [10].

Для вычисления расчетной относительной влажности воздуха можно воспользоваться известными формулами, приведенными, например, в [2, 10 и 11].

Алгоритм действий при этом будет следующим [11]:

• сначала определяем парциальное давление водяного пара в воздухе, которое при заданном атмосферном давлении зависит только от влагосодержания;

• затем вычисляем давление насыщения водяного пара, зависящее только от температуры;

• и, наконец, рассчитываем относительную влажность воздуха как отношение парциального давления и давления насыщения водяного пара в воздухе.

И здесь нам не обойтись без дополнительных расчетов.

Вперед в прошлое

Но двумя параметрами, определяющими состояние воздуха, могут быть не только энтальпия и влагосодержание. До выхода в 2012 году СП «Отопление, вентиляция и кондиционирование» на протяжении многих лет параметрами Б были температура и относительная влажность воздуха (см. таблицу 1).

Если мы в любом случае вынуждены брать из таблицы 4.1 СП [9] расчетную температуру, то почему бы нам не взять оттуда и второй параметр – относительную влажность воздуха в 15 час (графа 9), а не искать удельную энтальпию по схематической карте A5 и потом рассчитывать влагосодержание по расчетной температуре.

В таблице 2 для некоторых городов из таблицы П.1 приведены результаты выполненных автором расчетов температуры и относительной влажности по указанным в таблице П.1 [8] данным и их сравнение с данными таблицы 4.2 [9].

Результаты расчетов для всех 36 городов приведены в приложении 1 к статье.

Таблица 2. Параметры наружного воздуха для городов из приложения П.1 [8]

Примечание:     Символом * обозначены параметры, приведенные в соответствующих таблицах

Сравнение температуры и влажности по таблице 4.1 [9] с данными, вычисленными по энтальпии и влагосодержанию из таблицы П.1 [8] (см. приложение 1) показывает:

• отличие в температуре по сухому термометру составляет от –1,5 до +3,4 градуса (среднее значение +0,2 градуса);

• отличие в относительной влажности составляет от –9,2 до +10,3 % (среднее значение +3,2 %).

То есть температуры из таблицы 4.1 в среднем превышают на 0,2 градуса температуры, вычисленные по данным из таблицы П.1, а относительные влажности преимущественно выше и в среднем превышают на 3,2 % значения, вычисленные по данным из таблицы П.1.

При этом для 12 городов как температура, так и влажность воздуха из таблицы 4.1 превышают значения, полученные расчетом по данным таблицы П.1. Для остальных городов отклонения в температуре и влажности имеют противоположные знаки, то есть, нет ни одного города, для которого одновременно температура и влажность из таблицы 4.1 были бы ниже, чем полученные расчетом из данных таблицы П.1.

Для городов, в которых температура и влажность из таблицы 4.1 одновременно выше параметров из таблицы П.1, мы можем смело брать их в качестве параметров Б.

Но сможем ли мы это сделать, если отклонения имеют противоположные знаки?

Если внимательно наблюдать в летний период за фактическими температурами и влажностью воздуха в конкретном населенном пункте в период действия высоких наружных температур, то можно заметить, что, чем выше температура воздуха, тем, как правило, ниже его относительная влажность.

Жаркое лето 2021 года, когда дневные температуры наружного воздуха во многих городах России в течение нескольких недель не только приближались к расчетным, но и превышали их, предоставило редкую возможность сравнить расчетные и фактические данные.

На рис. 5 приведены фактические данные по температурам и относительной влажности воздуха в 15 часов в июле 2021 года в Санкт-Петербурге по данным сайтов Gismeteo [12] и Метеосервис [13]. Статистическая зависимость относительной влажности воздуха от температуры может быть представлена линией линейной регрессии 1.

Здесь также представлены расчетные параметры по таблице П.1 [8] (23,8 °С / 69,2 %) (точка 2) и параметры воздуха из таблицы 4.1 [9] (25 °С / 60 %) (точка 3).

Рис. 5 . Температура и влажность в Санкт-Петербурге (июль 2021)

Как видно из рис. 5, относительная влажность имеет тенденцию к уменьшению с увеличением температуры воздуха, хотя на нее, помимо температуры, также оказывают влияние облачность и атмосферные осадки, вызывая заметные отклонения от линии регрессии.

При этом обе точки 2 и 3 хорошо согласуются с фактическими данными и располагаются выше линии регрессии 1. Следовательно, любая из них может быть принята в качестве расчетных параметров Б (температуры и относительной влажности).

Таким образом, в качестве параметров Б наружного воздуха для всех населенных пунктов, перечисленных в таблице 4.1 [9], можно брать параметры из этой таблицы:

• температуру воздуха обеспеченностью 0,98 (графа 4);

• среднюю месячную относительную влажность воздуха в 15 час наиболее теплого месяца (графа 9).

Применение этих параметров для всех населенных пунктов, перечисленных в таблице 4.1 СП [9], обеспечивает однозначность в определении расчетных параметров воздуха.

Выводы

1. В последней редакции СП 60.13330.2020 (п 5.13) в качестве параметров Б наружного воздуха предписывается применять:

• удельную энтальпию наружного воздуха, кДж/кг;
• удельное влагосодержание наружного воздуха г/кг.

Это создает неопределенность при выборе расчетных параметров наружного воздуха как для 36 городов, перечисленных в таблице П.1, так и для подавляющего большинства населенных пунктов России.

2.   Применение в качестве параметров Б наружного воздуха данных из таблицы 4.1 СП 131.13330.2018:

• температуры обеспеченностью 0,98 (графа 4);
• средней месячной относительной влажности воздуха в 15 час наиболее теплого месяца (графа 9)

обеспечивает не только однозначное определение расчетных параметров наружного воздуха для данного населенного пункта, но и преемственность нормативных документов в части определения параметров Б для СКВ.

Литература

1. Семенов Ю.В. Расчетные параметры воздуха как основа для проектирования систем кондиционирования. — «АВОК», № 2, 2012
2. Справочное пособие АВОК «Влажный воздух». — М.: АВОК-ПРЕСС, 2004
3. СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование», 2003
4. СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование», 2004
5. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», 2000
6. СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование», 2012
7. СП 131.13330.2012 «Строительная климатология», 2012
8. СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование», 2020
9. СП 131.13330.2018 «Строительная климатология», 2018
10. Семенов Ю.В. Системы кондиционирования воздуха с поверхностными воздухоохладителями. — М.: Техносфера, 2014.
11. Семенов Ю.В. Искусство хладотехники. — СПб.: BooksNonStop, 2020.
12. https://www.gismeteo.ru/diary/4079/2021/7/
13. https://www.meteoservice.ru/archive/sankt-peterburg/2021/07

Приложение 1

Параметры наружного воздуха для городов из приложения П.1 [8]

Примечания:     1. Символом * обозначены параметры, приведенные в соответствующих таблицах

2. ** Данные из таблицы 4.1 приведены для г. Пятигорск, так как г. Минеральные Воды отсутствует в этой таблице