Расчетные параметры наружного воздуха для холодильных установок

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

Как известно, состояние наружного воздуха может быть однозначно определено комбинацией любых двух из следующих параметров [1]:

• температуры по сухому термометру,

• относительной влажности воздуха,

• удельной энтальпии,

• влагосодержания,

• температуры по мокрому термометру.

Остальные параметры наружного воздуха определяют из i-d диаграммы или расчетным путем.

При проектировании холодильных установок обычно используют три параметра:

• температуру по сухому термометру,

• относительную влажность,

• температуру по мокрому термометру.

В современных нормативных документах, связанных с холодильной техникой, расчетные параметры наружного воздуха никак не регламентируются. Это вызывает определенные сложности при их определении, особенно это касается относительной влажности воздуха и температуры по мокрому термометру.

Рассмотрим предлагаемую автором методику расчета параметров наружного воздуха для проектирования холодильных установок.

Расчетная температура (по сухому термометру)

В холодильной технике из-за отсутствия современных нормативных документов, регламентирующих расчетную температуру наружного воздуха для подбора холодильного оборудования, на практике до сих пор применяют нормы проектирования ВНТП 03-86 [2].

Согласно [2] расчетную температуру наружного воздуха t_Н для подбора холодильного оборудования следует определять по следующей формуле: 

t _Н= 0,4 · t_СР.М + 0,6 · t_А.М ,    (1) 

где t_СР.М и t_А.М — соответственно средняя максимальная и абсолютная максимальная температуры самого жаркого месяца из СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика».

Этот СНиП был позднее заменен на СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», вместо которого с 2012 года действует СП «Строительная климатология», последняя редакция которого вышла в 2018 году [3].

Поэтому в настоящее время температуры t_СР.М и t_А.М в формуле (1) следует принимать по таблице 4.1 «Климатические параметры теплого периода года» из [3] как:

• среднюю максимальную температуру воздуха наиболее теплого месяца (графа 5),

• абсолютную максимальную температуру воздуха (графа 6).

Средняя максимальная температура воздуха рассчитывается как среднемесячная величина ежедневных максимальных значений температуры воздуха, которые, как правило, достигаются примерно в 15 часов по местному времени.

В качестве примера в таблице 1 для некоторых городов России приведены данные по расчетным температурам, определенным по формуле (1) и данным из [3].

Таблица 1. Расчетные температуры наружного воздуха для холодильных установок

Расчетную температуру по сухому термометру t_Н применяют прежде всего при расчете теплопритоков в холодильные камеры через ограждающие конструкции.

Следует заметить, что в большинстве широко используемых компьютерных программ по расчету теплопритоков в холодильные камеры расчетные температуры, выбираемые по умолчанию, указаны по старым нормам, и, соответственно, занижены.

В первом приближении можно использовать значение t_Н и в качестве расчетной температуры при подборе воздушного конденсатора. Но в случае размещения воздушного конденсатора на плоской кровле или на стороне здания, облучаемой солнцем, расчетную температуру автор рекомендует увеличить [4, 5].

Расчетная относительная влажность воздуха

Если мы обратимся к [3], то там относительная влажность наружного воздуха дана в таблице 4.1 как:

• средняя месячная относительная влажность воздуха наиболее теплого месяца (графа 8); которая вычислена по рядам средних месячных значений;

• средняя месячная относительная влажность воздуха в 15 часов наиболее теплого месяца (графа 9), которая рассчитана по наблюдениям в дневное время (в основном в 15 час).

Учитывая, что расчетная температура t_Н определяется максимальными дневными температурами наружного воздуха t_СР.М и t_А.М, которые обычно достигаются около 15 часов, мы должны были бы принять в качестве расчетной относительную влажность в 15 часов из графы 9 таблицы 4.1.

Но эта влажность соответствует другой температуре воздуха — температуре воздуха обеспеченностью 0,98 (графа 4).

Действительно, эти параметры

• температура воздуха обеспеченностью 0,98 (графа 4),

• средняя месячная относительная влажность воздуха в 15 часов наиболее теплого месяца (графа 9)

традиционно использовались для систем кондиционирования воздуха в качестве так называемых параметров Б [6].

В таблице 2.2 приведены параметры Б воздуха и t_Н для городов, перечисленных в таблице 1.

Таблица 2. Параметры наружного воздуха по [3]

Примечание:     Символом * обозначены параметры, приведенные в таблице 4.1 [3]

Как видно из таблицы 2, расчетная температура наружного воздуха t_Н существенно превышает t_Б. А какая относительная влажность φ_Н будет соответствовать t_Н?

Если внимательно наблюдать в летний период за фактическими температурами и влажностью воздуха в конкретном населенном пункте в период действия высоких температур, то можно заметить, что, чем выше температура воздуха, тем ниже его относительная влажность. Но какова статистическая зависимость относительной влажности воздуха от его температуры для данного населенного пункта?

Для получения этой зависимости нужно либо проанализировать огромный объем статистической информации, либо принять некоторые допущения и попытаться определить относительную влажность воздуха φ_Н из параметров Б.

В качестве такого допущения в [4] автором было принято, что при превышении температуры наружного воздуха значений t_Б влагосодержание воздуха остается постоянным и равным d_Б.

Это допущение позволяет определить относительную влажность воздуха φ_Н при расчетной температуре t_Н непосредственно из i-d диаграммы, а именно в точке пересечения вертикальной прямой d_Б = const, проведенной из точки с параметрами, соответствующими параметрам Б, и прямой t_Н = const, соответствующей температуре t_Н (рис. 2). Определить φ_Н можно также расчетным путем по формулам из [4] или с помощью компьютерных программ для расчета параметров влажного воздуха.

Рис. 1. Определение относительной влажности воздуха φ_Н на i-d диаграмме

Проверим, соответствует ли определенная таким образом расчетная влажность φ_Н фактическим данным по относительной влажности воздуха при высоких температурах.

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

На рис. 2 приведены фактические данные по температурам и относительной влажности воздуха в 15 часов в июле 2021 года в Санкт-Петербурге по данным сайтов Gismeteo [7] и Метеосервис [8]. Статистическая зависимость относительной влажности воздуха от температуры может быть представлена прямой линейной регрессии 1.

Здесь также представлены расчетные параметры воздуха для холодильных установок (t_Н = 31 °С, φ_Н = 42 %) (точка 2) и параметры Б воздуха из таблицы 4.1 [3] (t_Б = 25 °С, φ_Б = 60 %) (точка 3) для Санкт-Петербурга.

 Рис. 2. Параметры воздуха в Санкт-Петербурге (июль 2021)

В 2022 году самым жарким месяцем в Санкт-Петербурге был не июль, а август, когда максимальные температуры наружного воздуха в течение нескольких дней вплотную приближались к t_Н.

Данные по температуре и относительной влажности воздуха в 15 часов для этого месяца приведены на рис. 3. Статистическая зависимость относительной влажности воздуха от температуры представлена прямой 1. Расчетные параметры воздуха для холодильных установок соответствуют точке 2, а параметры Б — точке 3.

Рис. 3. Параметры воздуха в Санкт-Петербурге (август 2022)

Как видно из рис. 2 и 3, относительная влажность имеет явную тенденцию к уменьшению с увеличением температуры воздуха, хотя на нее, помимо температуры, также оказывают влияние облачность и атмосферные осадки, вызывая отклонения от линии регрессии.

При этом точки 2 и 3 хорошо согласуются с фактическими данными и располагаются выше линий регрессии 1.

Следовательно, определенное по d_Б и t_Н значение φ_Н может быть принято в качестве расчетного значения относительной влажности воздуха при температуре t_Н.

Следует заметить, что в большинстве широко используемых компьютерных программ по расчету теплопритоков в холодильные камеры относительная влажность воздуха существенно завышена по сравнению с φ_Н, так как указана по графе 9 таблицы 4.1 [3], т.е. соответствует влажности по параметрам Б (φ_Б).

Хотя относительная влажность воздуха практически не оказывает влияния на подбор воздушных конденсаторов и охладителей жидкости (большинство производителей даже не включают относительную влажность воздуха в исходные данные), ее нельзя не учитывать при расчете тепло- и влагопоступлений в холодильную камеру с наружным воздухом (при открывании дверей или при наличии вентиляции).

Расчетная температура по мокрому термометру

Температура по мокрому термометру является основным параметром наружного воздуха в системах, где применяется испарительное охлаждение воды (например, в вентиляторных градирнях) или адиабатическое охлаждение воздуха (например, в воздушных конденсаторах, оснащенных соответствующей системой).

Для таких систем температура воздуха по мокрому термометру является предельным (теоретическим) значением, до которого можно охладить воду или воздух.

Так как летом температура воздуха по мокрому термометру существенно ниже температуры воздуха по сухому термометру, за счет испарительного охлаждения можно охладить воду до температуры ниже, чем температура воздуха по сухому термометру.

Аналогично, при адиабатическом охлаждении можно охладить воздух, насыщая его водой, до температуры, близкой к температуре по мокрому термометру.

Расчетную температуру наружного воздуха по мокрому термометру t_МТ можно определить для данного населенного пункта по известным t_Н и φ_Н как на i-d диаграмме (рис. 4), так и с помощью многочисленных программ для расчета параметров влажного воздуха. При определении t_МТ на i-d диаграмме исходят из того, что линии постоянных температур по мокрому термометру практически совпадают с линиями постоянных энтальпий [1].

Рис. 4. Определение температуры t_МТ на i-d диаграмме

Проверим, насколько определенная таким образом расчетная температура по мокрому термометру t_МТ соответствует фактическим данным.

На рис. 5 приведены данные по температурам по мокрому термометру, рассчитанные по фактическим данным по температуре и относительной влажности воздуха в июле 2021 года и августе 2022 года (см. рис. 2 и 3). Статистическая зависимость температуры воздуха по мокрому термометру от температуры воздуха по сухому термометру может быть представлена прямой линейной регрессии 1.

Здесь также представлены расчетные параметры воздуха для холодильных установок (t_Н = 31 °С, t_МТ = 21,2 °С) (точка 2) и параметры Б воздуха из таблицы 4.1 [3] (t_Б = 25 °С, t^Б_МТ = 19,4 °С) (точка 3) для Санкт-Петербурга.

Рис. 5. Параметры воздуха в Санкт-Петербурге

Как видно из рис. 5, с увеличением температуры воздуха по сухому термометру возрастает и температура по мокрому термометру. При этом расчетные точки 2 и 3 хорошо согласуются с фактическими данными и располагаются выше линий регрессии 1, а расчетная температура t_МТ (точка 2) соответствует максимальным фактическим температурам по мокрому термометру.

Следовательно, определенное по t_Н и φ_Н значение t_МТ может быть принято в качестве расчетного значения температуры по мокрому термометру, соответствующего температуре t_Н.

В первом приближении можно использовать значение t_МТ в качестве расчетной температуры при подборе вентиляторной градирни. Но в случае размещения ее на плоской кровле или на стороне здания, облучаемой солнцем, расчетную температуру автор рекомендует увеличить [4].

Руководствуясь предложенной методикой, можно определить расчетные параметры воздуха t_Н, φ_Н и t_МТ для всех населенных пунктов России, перечисленных в [3].

В качестве примера в таблице 3 приведены рекомендуемые значения расчетных параметров наружного воздуха для некоторых городов России.

Таблица 3. Расчетные параметры наружного воздуха для холодильных установок

Выводы

1. При определении по формуле (1) расчетной температуры наружного воздуха t_Н следует руководствоваться данными из таблицы 4.1 [3] (графы 5 и 6).
2. Фактические данные свидетельствуют об уменьшении относительной влажности наружного воздуха при повышении его температуры.
3. Расчетную относительную влажность наружного воздуха φ_Н рекомендуется определять по температуре t_Н и влагосодержанию d_Б, рассчитанному по параметрам Б воздуха (таблица 4.1 [3], графы 4 и 9).
4. Расчетную температуру наружного воздуха по мокрому термометру t_МТ рекомендуется определять по параметрам t_Н и φ_Н.

Литература

1. Справочное пособие АВОК «Влажный воздух». — М.: АВОК-ПРЕСС, 2004
2. ВНТП 03-86 «Ведомственные нормы технологического проектирования распределительных холодильников», 1986
3. СП 131.13330.2018 «Строительная климатология», 2018
4. Семенов Ю.В. Искусство хладотехники. — СПб.: BooksNonStop, 2020
5. Семенов Ю.В. Как рассчитать температуру наружного воздуха для подбора конденсатора. — Портал «Холодильная индустрия», июль 2021
6. Семенов Ю.В. Расчетные параметры наружного воздуха для систем кондиционирования или десять лет спустя. — Портал «Холодильная индустрия», июнь 2022
7. https://www.gismeteo.ru/diary/4079/
8. https://www.meteoservice.ru/archive/sankt-peterburg/