CC BY
51
УДК 699.86
О.Д. Самарин
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКАЯ ВЗАИМОСВЯЗЬ КЛИМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ЗДАНИЯ
Рассмотрены вероятностно-статистические закономерности соотношения параметров наружного климата в теплый и холодный периоды года. Установлена статистическая связь энтальпии и температуры наружного воздуха для климатических условий г Москвы.
Ключевые слова: температура, энтальпия, климатическая кривая, аппроксимация, коэффициент корреляции, климатические параметры, энергопотребление здания.
В последнее время, в связи с повышением требований к комфортности внутреннего микроклимата общественных зданий как в теплый, так и в холодный периоды года, в сочетании с усиливающимся дефицитом энергоресурсов, растет потребность в более точной оценке потребления энергии на обработку наружного воздуха в течение отопительного и охладительного периодов. Это особенно актуально в связи с пересмотром отечественных норм по теплозащите и энергопотреблению зданий [1—3]. Подобные вопросы в настоящее время рассматриваются и за рубежом [4—6]. 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 [7].
В [8] рассмотрено использование климатической кривой для вычисления градусо-суток охладительного периода — основного показателя, позволяющего провести ориентировочный расчет потребления холода системами кондиционирования воздуха в теплый период года. Эта кривая соединяет точки на I—^-диаграмме с наиболее вероятным сочетанием температуры наружного воздуха °С, и его относительной влажности фн, %. Климатическую кривую можно использовать не только в теплый, но и в холодный период, и в обоих случаях она строится на основе t — ф-диаграммы, показывающей относительную повторяемость различных сочетаний t и ф [9]. Для климатических условий г. Москвы в холодный период года такая диаграмма, по данным [10], приведена на рис. 1. Здесь значения t показаны вдоль оси абсцисс, ф — по оси ординат, а точка НБ показывает расчетные параметры «Б»1. Следует, правда, заметить, что в настоящее время введена в действие актуализированная редакция данного документа — СП с несколько измененными расчетными климатическими параметрами. Однако непосредственно в СП 131.13330.2012 отсутствуют необходимые для рассматриваемого построения сведения по повторяемости сочетаний t и ф, поэтому до переиздания [10] есть возможность использовать только ее данные.
1 СНиП 23-01—99*. Строительная климатология. М. : ГУП ЦПП, 2004.
-33 -.11 -29 -27 -25 -23 -21 ,14 ,17 -15 -13 -11 -■) -7 -5-3-1135
Рис. 1. Диаграмма t — ф для условий Москвы (для трех зимних месяцев)
В то же время для достаточно точного вычисления энергопотребления системами кондиционирования воздуха, особенно если процесс его обработки связан с увлажнением или осушкой, т.е. с изменением влагосодержания, основное значение имеет не столько ф, сколько энтальпия наружного воздуха I Если теперь воспользоваться формулами, связывающими параметры состояния влажного воздуха, по величине фн можно вычислить соответствующие значения 1н. Аппроксимация зависимости 1н от t дает следующее соотношение:
/н = 0,123^2 +1,623?н + 8,84. (1)
Коэффициент корреляции при этом оказывается очень высоким: г = 0,9996. О качестве аппроксимации можно судить по рис. 2, на котором показан график зависимости 1н от t по результатам расчетов — сплошная линия и по формуле (1) — пунктир. Видно, что расхождение практически лежит в пределах толщины линии и заведомо не превосходит погрешности исходных данных.
Если теперь подставить в (1) в качестве tн величину tоп — среднюю температуру наружного воздуха за отопительный период, можно соответственно определить и среднюю энтальпию I Поскольку для Москвы tоп = -3,1 °0, получаем I = 3,9 кДж/кг. Это значение можно использовать при расчете потребления теплоты системами вентиляции и кондиционирования воздуха в течение отопительного периода для получения более точного результата, чем при обычной оценке с помощью t поскольку здесь учитывается реальное среднее положение точки наружного воздуха на I — ^-диаграмме. В то же время расчет, опирающийся на I сохраняет простой инженерно-оценочный характер, так как не требует суммирования почасовых теплозатрат за отопительный сезон.
ВЕСТНИК
МГСУ-
1/2014
Рис. 2. Взаимосвязь I и для г. Москвы в холодный период года
Аналогичную по форме зависимость можно получить и для теплого периода:
/н = 0,118*2 + 4,02^ + 74,8. (2)
Построение соответствующей климатической кривой показано на рис. 3. Как и для холодного периода, значения * показаны вдоль оси абсцисс, ф — по оси ординат, а точка НБ показывает расчетные параметры «Б»1.
Рис. 3. Диаграмма * — ф для условий Москвы (для трех летних месяцев)
Следует, правда, заметить, что выражение (2) охватывает более ограниченный диапазон t по сравнению с представленным на климатической кривой, а именно > +15 °С, что как раз и соответствует климатическому лету. В условиях Москвы в настоящее время такие среднесуточные температуры устойчиво наблюдаются примерно с 10—15 мая до 5—10 сентября и часто фиксируются даже с конца апреля и до начала октября. А поскольку системы кондиционирования воздуха функционируют главным образом в рабочее время суток, когда равна или выше среднесуточной, формула (2) практически пригодна для использования в течение всего указанного периода.
Заметим при этом, что, хотя в [10] 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 > где — требуемая температура охлажденного воздуха перед вентилятором, выполняется только в пределах рабочего времени [8].
При более низких характер изменения 1н будет несколько иным, и его будет сложно описать единой формулой вместе с (2), поэтому интервал < +15 °С здесь не рассматривается, тем более, что обычно при этом охлаждение наружного воздуха не требуется, а значит, и особой необходимости в выражении типа (2) уже нет. Для наглядности на следующем графике (рис. 4) сплошная линия изображает расчетную зависимость 1н от по климатическим данным, а пунктир — по выражению (2). Расхождение в данном случае несколько выше, чем для холодного периода, но все же вполне приемлемо для инженерных расчетов — среднее квадратическое отклонение величины 1н равно всего лишь 0,54 кДж/кг. Коэффициент корреляции тоже остается весьма высоким: г = 0,975, так что аппроксимация и здесь является очень хорошей.
Рис. 4. Взаимосвязь I и t для г. Москвы в теплый период года
Это существенно упрощает ситуацию, поскольку, в отличие от данных для определения градусо-суток отопительного периода, необходимые для расчета средние значения 1н и t в теплый период года1 отсутствуют и должны каждый раз специально вычисляться, поэтому число независимых входных параметров следует свести к минимуму. Для рассматриваемой модели остается один такой параметр — величина t Еще одно достоинство выражений (1) и (2) заключается в том, что они легко интегрируются, что может быть весьма важным при использовании более точных приемов расчета энергопотребления [9].
Таким образом, мы получили методику, устанавливающую вероятностно-статистическую взаимосвязь между основными параметрами наружного климата и пригодную для оценки затрат теплоты и холода на обработку приточного воздуха в системах его кондиционирования в течение года. Методика имеет простой инженерный вид и может быть реализована в практике массового проектирования.
Библиографический список
1. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Требования к теплозащите и энергетической эффективности в проекте актуализированного СНиП «Тепловая защита зданий» // Жилищное строительство. 2011. № 8. С. 2—6.
2. Гагарин В.Г., Козлов В.В. О требованиях к теплозащите и энергетической эффективности в проекте актуализированной редакции СНиП «Тепловая защита зданий» // Вестник МГСУ 2011. № 7. С. 59—66.
3. Гагарин В.Г. Макроэкономические аспекты обоснования энергосберегающих мероприятий при повышении теплозащиты ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 8—16.
4. Sliogeriene J., Kaklauskas A., Zavadskas E.K., Bivainis J., Seniut M. Environment factors of energy companies and their effect on value: analysis model and applied method. Technological and economic development of economy. 2009, vol. 15, no. 3, pp. 490—521.
5. Uzsilaityte L., Martinaitis V. Impact of the implementation of energy saving measures on the life cycle energy consumption of the building. Pap. of conf. of VGTU. 2008, vol. 2, pр. 875—881.
6. Wang J., Zhai Z., Jing Y., Zhang Ch. Influence analysis of building types and climate zones on energetic, economic and environmental performances of BCHP systems. Applied Energy. 2011, vol. 88, no. 9, pp. 3097—3112.
7. Самарин О.Д. Интегральные характеристики отопительного периода // СОК. 2010. № 2. C. 38—40.
8. Самарин О.Д., Матвеева Е.Г. Определение параметров охладительного периода // СОК. 2013. № 1. С. 120—122.
9. Теория здания. Т. 1. Здание — оболочка / С.Н. Булгаков, В.М. Бондаренко, Ю.Я. Кувшинов, А.М. Курзанов, Н.Н. Миловидов. М. : Изд-во АСВ, 2007. 280 с.
10. Строительная климатология : Справочное пособие к СНиП 23-01—99* / под ред. В.К. Савина. М. : НИИСФ, 2006. 250 с.
Поступила в редакцию в ноябре 2013 г.
Об авторе: Самарин Олег Дмитриевич — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры отопления и вентиляции, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)188-36-07, [email protected].
Для цитирования: Самарин О.Д. Вероятностно-статистическая взаимосвязь климатических параметров для оценки энергопотребления здания // Вестник МГСУ 2014. № 1. С. 146—152.
O.D. Samarin
PROBABILITY AND STATISTICAL CORRELATION OF THE CLIMATIC PARAMETERS FOR ESTIMATING ENERGY CONSUMPTION OF A BUILDING
The problem of the most accurate estimation of energy consumption by ventilation and air conditioning systems in buildings is a high-priority task now because of the decrease of energy and fuel sources and because of the revision of building standards in Russian Federation. That's why it is very important to find simple but accurate enough correlations of the climatic parameters in heating and cooling seasons of a year.
Therefore the probabilistic and statistical relationship of the parameters of external climate in warm and cold seasons are considered. The climatic curves for cold and warm seasons in Moscow showing the most probable combinations between the external air temperature and the relative air humidity are plotted using the data from the Design Guidelines to the State Building Code "Building Climatology". The statistical relationship of the enthalpy and the external air temperature for climatic conditions of Moscow are determined using these climatic curves and formulas connecting relative air humidity and other parameters of the air moisture degree.
The mean value of the external air enthalpy for the heating season is calculated in order to simplify the determination of full heat consumption of ventilating and air conditioning systems taking into account the real mean state of external air. The field of application and the estimation of accuracy and standard deviation for the presented dependences are found. The obtained model contains the only independent parameter namely the external air temperature and therefore it can be easily used in engineering practice especially during preliminary calculation.
Key words: temperature, enthalpy, climatic curve, approximation, correlation coefficient, climatic parameters, energy consumption of a building.
References
1. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Trebovaniya k teplozashchite i energeticheskoy effektivnos-ti v proyekte aktualizirovannogo SNiP "Teplovaya zashchita zdaniy" [The Requirements to the Thermal Performance and Energy Efficiency in the Project of Actualized State Building Code «Thermal Performance of the Buildings»]. Zhilishchnoye stroitel'stvo [House Construction]. 2011, no. 8, pp. 2—6.
2. Gagarin V.G., Kozlov V.V. O trebovaniyakh k teplozashchite i energeticheskoy ef-fektivnosti v proyekte aktualizirovannoy redaktsii SNiP "Teplovaya zashchita zdaniy" [On the Requirements to the Thermal Performance and Energy Efficiency in the Project of Actualized State Building Code «Thermal Performance of the Buildings»]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 7, pp. 59—66.
3. Gagarin V.G. Makroekonomicheskiye aspekty obosnovaniya energosberegayush-chikh meropriyatiy pri povyshenii teplozashchity ograzhdayushchikh konstruktsiy zdaniy [The Macroeconomic Factors of Energy Saving Measures Justification in Case of Increasing the Thermal Performance of Building Enclosures]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010, no. 3, pp. 8—16.
4. Sliogeriene J., Kaklauskas A., Zavadskas E.K., Bivainis J., Seniut M. Environment Factors of Energy Companies and their Effect on Value: Analysis Model and Applied Method. Technological and Economic Development of Economy. 2009, vol. 15, no. 3, pp. 490—521.
5. Uzsilaityte L., Martinaitis V. Impact of the Implementation of Energy Saving Measures on the Life Cycle Energy Consumption of the Building. Paper of the conference of VGTU. 2008, vol. 2, pp. 875—881.
6. Wang J., Zhai Z., Jing Y., Zhang Ch. Influence Analysis of Building Types and Climate Zones on Energetic, Economic and Environmental Performances of BCHP Systems. Applied Energy. 2011, vol. 88, no. 9, pp. 3097—3112.
7. Samarin O.D. Integral'nye kharakteristiki otopitel'nogo perioda [Integral Characteristics of the Heating Season]. SOK [Sanitary Engineering, Heating and Air Conditioning]. 2010, no. 2, pp. 38—40.
8. Samarin O.D., Matveyeva E.G. Opredeleniye parametrov okhladitel'nogo perioda [Determination of the Parameters of the Cooling Season]. SOK [Sanitary Engineering, Heating and Air Conditioning], 2013, no. 1, pp. 120—122.
9. Bulgakov S.N., Bondarenko V.M., Kuvshinov Yu.Ya. and oth. Teoriya zdaniya. T. 1. Zdanie — obolochka [Theory of a Building. Vol. 1. Building — Envelope]. Moscow, ASV Publ., 2007, 280 p.
10. Savin V.K., editor. Stroitel'naya klimatologiya: Spravochnoye posobiye k SNiP 2301—99* [Building Climatology: Design Guideline to State Building Code 23-01—99*]. Moscow, NIISF Publ., 2006, 250 p.
About the author: Samarin Oleg Dmitrievich — Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Department of the Heating and Ventilation, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoye shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7(499)188-36-07.
For citation: Samarin O.D. Veroyatnostno-statisticheskaya vzaimosvyaz' klimaticheskikh parametrov dlya otsenki energopotrebleniya zdaniya [Probability and Statistical Correlation of the Climatic Parameters for Estimating Energy Consumption of a Building]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 1, pp. 146—152.
