Расчет холодильной нагрузки согласно VDI 2078 выполняется на основании заданного жаркого периода, длящегося 19 дней, с повышением температуры до максимальной расчетной температуры в фактический расчетный день, CDD (Cooling Design Day). Имитационное моделирование года, напротив, рассчитывает реалистичные погодные условия в течение всего года, основываясь на почасовых данных типичного эталонного года Немецкой метеорологической службы (ТRY). Метеорологические данные ТRY очень отличаются от данных солнечного излучения и наружных температур для заданных жарких периодов при расчете нагрузки на охлаждение (см. рис. 1a и 1б). Ввиду различных граничных условий получаются разные результаты наибольшей холодильной нагрузки при расчете нагрузки на охлаждение и моделировании года. Используя моделирование года, можно рассчитать годовую потребность в энергии для отопления и охлаждения, а также самую высокую нагрузку на охлаждение и отопление с их временными рамками. Кроме того, моделирование года позволяет назначать часы работы системы отопления и охлаждения для всего здания или отдельных помещений.
Получив результаты моделирования года, пользователь, помимо прочего, может спроектировать системы с высокой базовой и низкой пиковой нагрузкой. Получение этой дополнительной информации для моделирования года не требует усилий, так как оба расчета выполняются с одинаковыми настройками внутренних нагрузок и температурных профилей.
Пример проекта
Различия в результатах моделирования года и динамической нагрузки на охлаждение будут проиллюстрированы на примере. Для сравнения мы рассмотрим угловое помещение на третьем этаже на юго-западной стороне (см. рис. 2). Данное здание расположено в Ахене, а внутренние нагрузки соответствуют значениям из предыдущих частей этой серии статей и остаются неизменными. В этой статье будут изменяться такие параметры, как режим работы, концепции регулирования и метеорологические данные. При изменении этих параметров проводятся повторные расчеты нагрузки на охлаждение, после чего будет рассмотрено влияние этих изменений на результаты.
Ввлияние времени работы системы охлаждения
Давайте сравним постоянный режим работы системы охлаждения (24 часа, 7 дней в неделю) и сокращенное время работы (11 часов, 5 дней в неделю). Для обоих режимов работы будет выполнен как расчет нагрузки на охлаждение, так и моделирование года. Кривые в расчетный день расчета нагрузки на охлаждение и в день с наибольшей холодопроизводительностью из моделирования года показаны на рис. 3. Кроме того, здесь приводится годовая потребность в энергии на охлаждение для обоих режимов при моделировании года. Наибольшая требуемая холодильная мощность возникает в случае режима «работа 11 часов». Это связано в первую очередь с аккумулирующей способностью компонентов помещения. При режиме «работа 24 часа» накопленное в течение дня солнечное тепло выводится ночью через систему охлаждения. В случае режима «работа 11 часов» температура компонентов выше в начале рабочего времени, и компоненты накапливают меньше тепла в течение дня, что приводит к увеличению мощности охлаждения. Если параллельно с максимальной рассчитанной нагрузкой на охлаждение рассматривать годовую потребность в холодильной энергии из моделирования года, то можно заметить, что хотя "11-часовой режим работы" приводит к более высокой максимальной нагрузке на охлаждение, годовая потребность в энергии ниже, чем при "24-часовом режиме работы". Таким образом, длительность работы системы охлаждения влияет не только на нагрузку на охлаждение, но и на годовую потребность в энергии. Увеличение времени работы уменьшает требуемую максимальную нагрузку на охлаждение, а потребность в охлаждающей энергии возрастает. Этот эффект усиливается с увеличением полезной теплоаккумулирующей способности.
![[Translate to Pусский:] Abb. 2](/fileadmin/_processed_/3/9/csm_Abb.2-Grundriss_B%C3%BCro_485226d88c.png)
Влияние концепции регулирования
В стандарте VDI 2078 описываются различные концепции регулирования для работы системы охлаждения. Существуют концепции с постоянными температурами помещения или температурами, зависимыми от наружной температуры, а также концепции с диапазоном температур, в котором может использоваться двухточечное или пропорциональное регулирование. Ниже на примере четырех концепций регулирования мы рассмотрим, какое влияние они оказывают на требуемую холодильную мощность и потребность в энергии на охлаждение. Для этого были получены максимальные значения из расчета нагрузки на охлаждение и имитационного моделирования года для углового помещения при работе системы охлаждения 24 часа. На рис. 4 представлены заданные температуры для различных концепций регулирования. Концепция регулирования А предназначена поддерживать постоянную температуру помещения, равную 22 °C. При такой концепции помещение охлаждается, как только температура в помещении начнет повышаться без охлаждения, то есть если в помещение будет поступать больше энергии, чем рассеиваться. Чтобы температура помещения всегда оставалась постоянной, то оно сразу же будет обогреваться, если в него поступает меньше энергии, чем излучается через наружные поверхности. При концепции регулирования B также применяется постоянная температура помещения. Но при этом она связана с наружной температурой. Пока наружная температура не превысит отметку 26 °C, температура помещения при этой концепции также составляет 22 °C. В случае более высоких наружных температур температура помещения линейно увеличивается до 26 ° C. Концепции C и E являются т. н. «двухточечным» регулированием. Такое регулирование задает диапазон температур, в котором температура помещения может изменяться. Для задания диапазона требуется ввести 2 «точки» – минимальную и максимальную температуру помещения. Режим охлаждения запускается, когда температура помещения начинает превышать максимальную. При концепции регулирования C минимальная температура помещения составляет 22 °C, а диапазон температур – 4 K, то есть, помещение начнет охлаждаться начиная с 26 °C. В концепции регулирования E минимальная температура помещения, как в концепции B, привязана к наружной температуре. Но в отличии от вышеописанной концепции, при концепции регулирования E температура помещения начинает повышаться уже с 18 °C наружной температуры. Поскольку максимальная температура помещения также находится на отметке 26 °C, то ее увеличение не настолько значительно, как в концепции B. Результаты расчетов максимальной холодильной мощности показаны на рис. 5, а результаты годовой потребности в холодильной энергии – на рис. 6.
Наибольшая разница между наружной температурой и температурой помещения наблюдается при концепции регулирования А. При концепциях В и Е, которые зависят от наружной температуры, температура в помещении повышается до 26 °C во второй половине расчетного дня и, таким образом, она выше, чем при концепции А с постоянной температурой 22 °C. Ввиду более низкой температуры помещения концепция регулирования A требует наибольшей холодильной мощности. Колебания температуры в помещении в зависимости от наружной температуры также влияют на кривую нагрузки на охлаждение. Эта кривая очень сильно отличается от кривой для постоянной температуры помещения. Чтобы проиллюстрировать это, на рис. 7 сравниваются кривые нагрузки для обеих концепций двухточечного регулирования. При концепции регулирования C (температура помещения постоянна) нагрузка на охлаждение повышается в течение дня, а максимальная нагрузка достигается в 17 часов.
В случае концепции регулирования E («скользящая» температура помещения) максимальная нагрузка выпадает уже на 8 часов утра. В связи с повышением наружной температуры и постоянством внутренней, наибольшая нагрузка на охлаждение достигается во второй половине дня при использовании концепций регулирования с постоянной температурой в помещении, так как наружная температура здесь самая высокая, а стены нагрелись в течение дня. С другой стороны, при концепции регулирования E температура в помещении самая низкая утром, и еще до того, как прямая солнечная радиация достигает помещения (окна с южной и западной стороны), наружная температура повышается, а значит, повышается и заданная температура в помещении. Повышение заданной температуры компенсирует увеличение внесения солнечной энергии в помещение, и нагрузка на охлаждение снижается в течение дня. Тот факт, что максимальная нагрузка на охлаждение при концепции регулирования C с постоянной температурой помещения выше, чем при концепции E, объясняется низкой температурой стен. Из-за низкой заданной температуры в помещении ночью, утром температура стен ниже, чем при концепции регулирования C; это проявляется, прежде всего, в более высокой мощности охлаждения в ночное время. Благодаря более низкой температуре стен, они способны поглощать больше энергии в течение дня и снижать максимальную нагрузку на охлаждение. Более интенсивное охлаждение ночью также объясняет, почему самое низкое годовое энергопотребление наблюдается при концепции регулирования C, так как при ней всегда действует самая высокая заданная температура помещения для режима охлаждения, равная 26 °C.
Различные типичные эталонные годы
Используемые для расчета моделирования года типичные эталонные годы (TRY) основываются на метеорологических данных, из которых выбирается репрезентативное значение для каждого часа в году. Немецкая метеорологическая служба бесплатно предоставляет TRY для Германии с разрешением в один квадратный километр. Для каждого из этих мест предлагаются шесть наборов данных. Они подразделяются на два рассматриваемых периода. Файлы TRY-2015 содержат метеорологические данные с 1995 до 2012 год и представляет собой настоящее время. Данные в файлах TRY-2045 следует понимать как прогноз. Они определяются на основе метеорологических моделей и представляют собой период с 2031 по 2060 год. Для обоих рассматриваемых периодов TRY представлены для "нормального года", "экстремального лета" и "экстремальной зимы". Нормальный год TRY-2015 соответствует среднему значению всех лет выбранного периода. В случае экстремального TRY год выбирается из периода с соответственно самым теплым или самым холодным полугодием (лето: апрель-сентябрь; зима: октябрь-март). Таким образом, экстремальный TRY соответствует выбранному реальному году, а нормальный год создается на основе усреднения.
На рис. 8 и 9 показаны нагрузки и годовое энергопотребление для обогрева и охлаждения для шести TRY. Вопреки ожиданиям на первый взгляд, самая высокая нагрузка на охлаждение приходится на текущее экстремальное лето, а не на экстремальное лето будущего прогноза; нагрузка на охлаждение экстремальной зимы также выше, чем нагрузка на охлаждение в обычный год. Однако годовое энергопотребление для охлаждения соответствует ожиданиям, что экстремальное лето требует больше всего энергии для охлаждения. В случае обычного года прогнозируемые значения как нагрузки на охлаждение, так и потребности в энергии для охлаждения увеличиваются по сравнению с текущими. К тому же можно отметить, что отопительная нагрузка и энергопотребление для обогрева в будущем прогнозе ниже, чем в текущем TRY. К тому же интересен тот факт, что текущий обычный год дает результаты, сравнимые с будущей экстремальной зимой.
Описанные результаты можно объяснить, если внимательнее присмотреться к температурам TRY. В целях иллюстрации отдельные часы года были отсортированы в порядке возрастания температуры, поэтому хронологического представления нет, но первое значение соответствует самой низкой температуре, а последний час - самому высокому значению температуры соответствующего TRY. На рис. 10 представлены самые теплые часы в году. Максимальные температуры текущего экстремального лета выше, чем в будущем прогнозе, поэтому и нагрузка на охлаждение выше. Однако большую часть времени температура в будущем прогнозе выше, чем в нынешнее экстремальное лето, что приводит к более высокому годовому энергопотреблению для охлаждения. Для будущего нормального года прогноз примерно на 1,5 К выше, чем для текущего нормального года, при этом температурные кривые не пересекаются.
Если рассматривать самые низкие температуры в году, то температуры текущего нормального года и будущей экстремальной зимы практически совпадают (см. рис. 11), что также объясняет сопоставимые результаты отопительной нагрузки и потребности в энергии для отопления. Как в будущих прогнозах, так и в текущем TRY самые низкие температуры находятся на одном и том же уровне – около -7 °C. Количество часов с отрицательными температурами наружного воздуха в будущем нормальном году составляет лишь около четверти по сравнению с нынешней экстремальной зимой, насчитывающей около 960 часов. Исходя из сопоставимых самых низких температур наружного воздуха, но больших различий в количестве дней с отрицательными температурами, можно сказать, что различий между максимальной отопительной нагрузкой отдельных TRY меньше, чем между годовым энергопотреблением для обогрева.
Выводы
Рассмотрение режимов работы, концепций регулирования и различных типичных эталонных лет показывает различия в результатах и их причины между расчетом нагрузки на охлаждение и имитационным моделированием года. Жаркий период при расчете нагрузки на охлаждение заканчивается одними расчетными сутками, а при моделировании года рассчитывается весь год. Уже по причине различных метеорологических данных рассматриваемых промежутков времени получаются разные результаты. Сравнение рассчитанной нагрузки на охлаждение и наибольшей мощности для охлаждения при моделировании года показывает, что в последнем случае (в нашем примере) получается несколько большая мощность. Однако эти различия незначительны и, за исключением времени работы системы охлаждения «11 часов», по всем параметрам ниже 6 %. Гораздо большее влияние оказал выбор различных режимов работы системы, например, настройки концепции регулирования.
Исходя из всех соображений, изложенных в данной статье, следует также подчеркнуть, что при сравнении различных концепций систем следует учитывать не только максимальную мощность охлаждения, но и также включать в оценку энергопотребление в течение года. Более высокая нагрузка на охлаждение еще не означает более высокое годовое энергопотребление.
Поскольку результаты годового моделирования дают еще больше информации, которая может быть использована для качественного проектирования систем зданий – и без увеличения количества вводимых данных –то следует дополнительно использовать моделирование года, особенно при сравнении различных концепций систем.
Эта статья о применении имитационного моделирования года является предварительным завершением серии статей о расчете нагрузки на охлаждение. Начиная с развития расчета нагрузки на охлаждение от табличного метода 1970-х годов до современной динамической модели, через более пристальный взгляд на влияние внутренних и внешних нагрузок, мы надеемся, что эти статьи способствовали лучшей оценке влияния граничных условий и входных данных на результаты расчета нагрузки на охлаждение и лучшей проверке правдоподобности самих результатов.
Предыдущие статьи из этой серии вы можете в любое время найти в медиатеке на сайте www.linear.eu.
Сахар Баят, д-р Петер Холленбек