Как рассчитать температуру воздуха для подбора вентиляторной градирни

В системах, где применяется испарительное охлаждение воды или воздуха, основным параметром является температура воздуха по мокрому термометру (t_МТ).

Для таких систем температура воздуха по мокрому термометру является предельным (теоретическим) значением, до которого можно охладить воду или воздух. Так как летом t_МТ наружного воздуха существенно ниже его температуры по сухому термометру (t_СТ), в вентиляторных градирнях можно охладить воду до температуры ниже, чем t_СТ, в отличие от охладителей жидкости с закрытым водяным контуром.

Немного истории

При подборе вентиляторных градирен часто руководствуются «Пособием по проектированию градирен» [1], вышедшим почти сорок лет назад.

Согласно [1] расчет градирен следовало выполнять, исходя из среднесуточных температур атмосферного воздуха по сухому и мокрому термометрам (или относительной влажности воздуха) по многолетним наблюдениям при необеспеченности метеорологических параметров 1...10 % за летний период года (июнь, июль, август).

Выбор необеспеченности следовало производить в зависимости от категории потребителя по таблице 6 [1], в которой все потребители условно разделены на три категории по уровню требований к температурам охлаждаемой воды.

Указанной в таблице 6 [1] необеспеченности 1 % за три летних месяца соответствует превышение метеорологических параметров над нормируемыми не более 22 часов, необеспеченности 5 % — не более 110 часов и необеспеченности 10 % — не более 220 часов.

В таблице 1 приведены данные из таблицы 6 [1].

Таблица 1. Категории потребителей и необеспеченность параметров по [1]

Для некоторых крупных населенных пунктов в таблице 7 [1] были также приведены конкретные значения температур по мокрому термометру t_Р^МТ для разной необеспеченности, соответствующей категории потребителя.

В таблице 2 приведены эти значения для нынешних административных центров федеральных округов РФ.

Таблица 2. Расчетные температуры по мокрому термометру по [1], °С

В современных нормативных документах, связанных с холодильной техникой, расчетные параметры наружного воздуха для подбора холодильного оборудования, в том числе вентиляторных градирен, никак не регламентируются.

В смежной области — системах кондиционирования воздуха (СКВ) — существует хорошая нормативная база, в том числе СП «Отопление, вентиляция и кондиционирование», который периодически обновляется и совершенствуется. С 1 июля 2021 действует уже третья редакция этого документа.

Уже в первой редакции СП «Отопление, вентиляция и кондиционирование» [2] было указано:

п.9.17. Параметры наружного воздуха для расчета …вентиляторных градирен следует принимать с учетом места их размещения (в тени, на солнце, на плоской кровле вблизи крыш или стен и др.), но не менее расчетных параметров наружного воздуха для обслуживаемых систем.

Но конкретные рекомендации в нормативном документе не были приведены.

В книге [3] автором было предложено учитывать место установки градирни путем соответствующего увеличения расчетной температуры воздуха по мокрому термометру t_Б^МТ (по параметрам Б).

Рассматривались три основных случая размещения градирни: в тени, на стороне здания, облучаемой солнцем, и на плоской кровле.

Автором была применена следующая формула для определения расчетной температуры наружного воздуха:

t_Р^МТ = t_Б^МТ + Δt_МТ                            (1),

где t_Р^МТ — расчетная температура наружного воздуха по мокрому термометру для подбора вентиляторной градирни;

t_Б^МТ — расчетная температура наружного воздуха по мокрому термометру, рассчитанная по параметрам Б;

Δt_МТ — поправка к t_Б^МТ, определяемая по таблице 3 в зависимости от места установки.

Таблица 3. Рекомендуемые Δt_МТ для подбора вентиляторных градирен [3]

Уже после выхода книги в СП [2] были внесены изменения, и в двух последних редакциях (п.9.17 [4] и 8.15 [5]) появились конкретные рекомендации по учету места размещения воздушных конденсаторов и вентиляторных градирен (орфография сохранена):

8.15 Параметры наружного воздуха для расчета конденсаторов с воздушным охлаждением, сухих охладителей и вентиляторных градирен следует принимать с учетом места их размещения (в тени, на солнце, на плоской кровле вблизи крыш или стен и др.), но не менее расчетных параметров наружного воздуха для систем холодоснабжения и кондиционирования:

а)      для холодильных машин и установок с конденсаторами воздушного охлаждения, расположенных в тени ‒ не менее чем на 3 °C выше температуры сухого термометра (параметры Б) и на 5 °C выше – для конденсаторов, облучаемых солнцем;

б)      для вентиляторных градирен, расположенных в тени ‒ на 1,5 °C выше температуры мокрого термометра по параметрам «Б» и на 3 °C выше для вентиляторных градирен, облучаемых солнцем.

При размещении конденсаторов воздушного охлаждения и вентиляторных градирен на плоской кровле, на расстоянии от стен не более 3 м со всех сторон, расчетные значения температур, указанные в перечислениях а) и б) настоящего пункта, следует увеличивать на 5 °C и 3 °C соответственно.

Для сравнения рекомендаций автора и требований СП в таблице 4 приведены поправки к t_Б^МТ для подбора вентиляторной градирни по книге автора [3] и различным редакциям СП «Отопление, вентиляция и кондиционирование».

Таблица 4. Поправки Δt_МТ к t_Б^МТ для подбора вентиляторных градирен, К

Как следует из таблицы 4, значения Δt_МТ, предложенные автором в книге [3], в 1,5…2 раза меньше значений, приведенных в последних редакциях СП [4, 5].

Как определить t_Б^МТ

В последней редакции СП [5] (п 5.13) в качестве параметров Б наружного воздуха предписывается применять:

— удельную энтальпию наружного воздуха (кДж/кг) и

— удельное влагосодержание наружного воздуха (г/кг),

которые следовало принимать по таблице П.1 приложения П для перечисленных в ней городов.

Для других населенных пунктов следует руководствоваться схематической картой районирования территории России по величине удельной энтальпии.

Как показано в статье автора [6], это создает неопределенность при выборе расчетных параметров наружного воздуха как для 36 городов, перечисленных в таблице П.1 [5], так и для подавляющего большинства населенных пунктов России.

Поэтому автор рекомендует применять в качестве параметров Б наружного воздуха данные из таблицы 4.1 СП «Строительная климатология» [7]:

— температуру обеспеченностью 0,98 (графа 4);

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

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

Тогда расчетную температуру наружного воздуха по мокрому термометру t_Б^МТ можно определить для данного населенного пункта по известным t_Б и φ_Б как на i-d диаграмме (рис. 1), так и с помощью многочисленных программ для расчета параметров влажного воздуха.

При определении t_Б^МТ на i-d диаграмме исходят из того, что линии постоянных температур по мокрому термометру практически совпадают с линиями постоянных энтальпий.

Рис. 1. Определение температуры t_Б^МТ на i-d диаграмме

В таблице 5 приведены параметры Б для городов, перечисленных в таблице 2.

Таблица 5. Параметры Б наружного воздуха

Методика расчета параметров воздуха при повышенных температурах

Часто в качестве расчетного параметра воздуха имеется только температура по сухому термометру t_Р^СТ, превышающая t_Б^СТ, но при этом возникает необходимость определить также t_Р^МТ и φ_Р для этой расчетной температуры. Для таких случаев в книге [8] автором было предложено определять φ_Р и t_Р^МТ из параметров Б.

В качестве допущения в [8] автором было принято, что при превышении температуры наружного воздуха значений t_Б^СТ влагосодержание воздуха остается постоянным и равным d_Б.

Это позволяет определить относительную влажность воздуха φ_Р при новой расчетной температуре t_Р^СТ 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_Р^СТ = const, соответствующей температуре t_Р^СТ (рис. 2). Определить φ_Р можно также расчетным путем по формулам из [3] или с помощью компьютерных программ для расчета параметров влажного воздуха.

Рис. 2. Определение относительной влажности на i-d диаграмме

Температура по мокрому термометру в расчетной точке t_Р^МТ определяется аналогично t_Б^МТ (см. рис.1).

Указанная методика позволяет определить расчетные параметры воздуха (φ_Р и t_Р^МТ) только по известной расчетной температуре по сухому термометру t_Р^СТ, например:

— расчетной температуре воздуха для холодильных установок,

— абсолютной максимальной температуре воздуха по СП [7],

—    расчетной температуре для подбора воздушного конденсатора и т.д.

Как будет показано ниже, рассчитанные таким образом параметры воздуха хорошо согласуются с фактическими метеорологическими данными.

Какими должны быть поправки к t_Б^МТ для подбора градирни

Как показывает практика, чаще всего воздушные конденсаторы и вентиляторные градирни работают в наиболее неблагоприятных условиях, так как их преимущественно устанавливают на стороне здания, в течение длительного времени облучаемой солнцем, или на плоской кровле.

Согласно п. 8.15 СП [5], в этих случаях расчетные температуры для подбора воздушного конденсатора и градирни должны быть определены с учетом соответствующих поправок.

Как указано в п. 8.15 [5], при подборе воздушных конденсаторов следует увеличивать температуру по сухому термометру t_Б^СТ:

— на 3 К при установке в тени,

— на 5 К при установке на солнце,

— на 10 К при установке на плоской кровле.

И если градирня установлена в одинаковых условиях с конденсатором, то соответствующее увеличение температуры воздуха по сухому термометру Δt_Р для нее должно быть таким же, как и для воздушного конденсатора.

Как известно, при нагреве воздуха его влагосодержание не изменяется, что позволяет определить на i-d диаграмме соответствующее изменение температуры по мокрому термометру Δt_МТ при нагреве воздуха на Δt_Р из состояния 1 до состояния 2 (рис. 3).

Рис. 3. Изменение температуры t_Б^МТ на i-d диаграмме при нагреве воздуха

Как видно из рис. 3 нагрев воздуха на Δt_Р приводит к увеличению температуры по мокрому термометру на Δt_МТ (с точки 3 до точки 4). Видно, что при этом Δt_МТ примерно в три раза меньше Δt_Р, то есть увеличение температуры воздуха по сухому термометру на 10 К дает увеличение температуры по мокрому термометру примерно на 3 К.

При этом расчетную температуру по мокрому термометру t_Р^МТ для градирни следует увеличить с учетом рис. 3:

— на 3/3 ≈ 1 К при установке в тени,

— на 5/3 ≈ 1,5 К при установке на солнце,

— на 10/3 ≈ 3 К при установке на плоской кровле.

Это больше соответствует рекомендациям автора, изложенным в [3], чем предписаниям п. 8.15 [5] (см. таблицу 3).

Для оценки актуальности тех или иных поправок в современных метеорологических условиях расчетные параметры, полученные с учетом поправок, необходимо сравнить с фактическими данными.

Сравнение расчетных и фактических параметров воздуха

Проверим, как соотносятся различные расчетные параметры воздуха, определенные по изложенной выше методике, с фактическими параметрами воздуха в летний период.

С этой целью были проанализированы фактические метеорологические данные за последние пять лет (с 2019 по 2023 год) для городов из таблицы 2.

Наибольший интерес представляет сравнение с «экстремальными» погодными условиями, ориентирами для которых являются параметры воздуха при абсолютной максимальной температуре по СП [7], приведенные в следующей таблице.

Таблица 8. Параметры наружного воздуха, соответствующие t_А.М

Для каждого города был определен год с максимальной температурой (таблица 9), и расчетные параметры воздуха сравнивались в дальнейшем с летними температурами этого года.

Таблица 9. Максимальные температуры наружного воздуха

Примечание: * В 2020 году максимальная температура была такой же.

** В 2023 году максимальная температура была меньше на 0,1 градуса.

Из таблиц 8 и 9 следует, что в последние годы были превышены абсолютные значения температур по СП [7] в Екатеринбурге и Новосибирске.

В таблице 10 приведены максимальные температуры наружного воздуха по мокрому термометру для тех же городов.

Таблица 10. Максимальные температуры наружного воздуха по мокрому термометру

Сравнение данных из таблиц 9 и 10 показывает, что максимальные значения температур по сухому t_СТ^МАХ и мокрому термометру t_МТ^МАХ достигаются не только в разные дневные часы, но и, как правило, в разные дни.

И даже если максимумы достигаются в один и тот же день (см. Нижний Новгород), время наступления их различно (13:00 для t_СТ^МАХ и 9:00 для t_МТ^МАХ). Иными словами, максимумы t_МТ^МАХ и t_СТ^МАХ для любого дня не совпадают по часам и, следовательно, t_МТ^МАХ достигается при температуре меньшей, чем t_СТ^МАХ.

На рис. 4 в графическом виде представлены фактические данные по максимальным дневным температурам t_СТ^МАХ и соответствующей относительной влажности воздуха летом 2021 года в Москве. Статистическая зависимость относительной влажности воздуха от температуры t_СТ^МАХ может быть представлена прямой линейной регрессии.

Рис. 4. Параметры воздуха в Москве при t_СТ^МАХ

Здесь также обозначены расчетные параметры воздуха Б для систем кондиционирования (СКВ), для холодильных установок (ХС) и параметры, соответствующие абсолютной максимальной температуре воздуха по СП [7].

Звездочками (*) обозначены параметры воздуха при увеличении температуры по сухому термометру по параметрам Б (t_Б^СТ) соответственно на 5 и 10 К при постоянном влагосодержании (для подбора воздушных конденсаторов по п.8.15 СП [5]).

Точки *(+5 К) и *(+10 К) при этом приближаются соответственно к расчетной температуре воздуха для холодильных установок и абсолютной максимальной температуре по СП [7].

На рис. 4 хорошо видна тенденция уменьшения относительной влажности воздуха с ростом его температуры, отмеченная автором в [3]. При этом вычисленные по методике автора (см. выше) расчетные параметры воздуха соответствуют этой тенденции, следуя практически параллельно линии линейной регрессии, построенной по фактическим данным.

На рис. 5 приведены фактические данные по максимальным дневным температурам по мокрому термометру t_МТ^МАХ летом 2021 года в Москве. Статистическая зависимость t_МТ^МАХ от температуры t_СТ также может быть представлена прямой линейной регрессии.

Рис. 5. Параметры воздуха в Москве при t_МТ^МАХ

Дополнительно к рис.4 треугольниками (Δ) обозначены параметры воздуха при увеличении температуры по мокрому термометру по параметрам Б (t_Б^МТ) соответственно на 3 и 6 К (для подбора вентиляторных градирен по п. 8.15 [5]).

Как видно на рис.5:

— точки *(+10 К) и Δ (+3 К) расположены на одном уровне, то есть увеличение температуры t_Б^СТ на 10 К соответствует увеличению температуры t_Б^МТ всего на 3, а не на 6 К. При этом обе точки лежат выше фактических параметров воздуха (за исключением всего одного дня).

— Параметры воздуха для холодильных установок превышают параметры воздуха, имеющего температуру на 5 К выше температуры t_Б^СТ — точки *(+5 К).

— Параметры воздуха при увеличении температуры t_Б^МТ на 6 К — точка Δ (+6 К) — существенно превышают не только фактические данные, но и параметры воздуха, соответствующие абсолютной максимальной температуре по СП [7].

Аналогичная картина с распределением фактических и расчетных параметров воздуха имеет место и для остальных городов из таблицы 2 (см. Приложение 1):

—   точки Δ (+3 К) и * (+10 К) лежат выше подавляющего большинства точек, обозначающих фактические значения t_МТ^МАХ для самого жаркого лета за последние пять лет.

Чтобы определить, какие расчетные параметры могут быть приняты для подбора градирни, следует по фактическим данным рассчитать необеспеченности для этих параметров, и сравнить их между собой и с данными таблицы 1, которые могут быть приняты за базовые.

Результаты расчета сведены в итоговую таблицу 11, в которой представлены данные по расчетным t_Р^МТ и фактической необеспеченности (Н, час) этих параметров по:

—   пособию [1] (см. таблицу 2);

—   параметрам Б СП [5] (см. таблицу 5);

—   параметрам для подбора градирен по СП [5] при увеличении t_Б^МТ на 3 и 6 К;

—   параметрам для подбора воздушных конденсаторов (ВК) по СП [5] при увеличении t_Б^СТ на 10 К.

Таблица 11. Необеспеченность по расчетным параметрам

Как видно из таблицы 11, в современных условиях параметры воздуха из пособия [1] не гарантируют требуемую необеспеченность не только для категории потребителей 1 (22 час), но и, за исключением Москвы и Екатеринбурга, даже для категории потребителей 3 (220 час).

В качестве расчетной температуры t_Р^МТ для подбора градирни поэтому могут быть принята либо температура t_Р^МТ = t_Б^МТ +3 К (графа 6), либо t_Р^МТ = t_Б^МТ +6 К (графа 8).

При выборе t_Р^МТ = t_Б^МТ +3 К расчетная температура t_Р^МТ и необеспеченность (графы 6 и 7) практически равны данным для подбора воздушного конденсатора при установке его на плоской кровле при t_Р = t_Б^СТ + 10 К (графы 10 и 11). При этом необеспеченность для всех городов, кроме Новосибирска, существенно меньше 22 часов.

При выборе t_Р^МТ = t_Б^МТ + 6 К (графа 8) необеспеченность (графа 9) равна 0 для всех городов, так как эта расчетная температура существенно превышают как фактические данные, так и температуру t_АМ^МТ, соответствующую абсолютной максимальной температуре t_АМ^СТ по СП [7].

Выводы

1.       Методика определения расчетных параметров воздуха, предложенная автором, показала хорошее соответствие фактическим метеорологическим данным.

2.       Рекомендуемые в «Пособии по проектированию градирен» [1] расчетные параметры воздуха утратили свою актуальность в современных климатических условиях.

3.       Расчетную температуру воздуха по мокрому термометру t_Р^МТ для подбора вентиляторной градирни можно определять по температуре воздуха по t_Б^МТ с учетом поправок Δt_МТ на место установки градирни.

4.       Предложенные автором в книге [3] поправки Δt_МТ к расчетной температуре воздуха t_Б^МТ соответствуют поправкам к t_Б^СТ для подбора воздушного конденсатора по п.8.15 СП [5], установленного в одинаковых с градирней условиях.

5.       При установке градирни на плоской кровле поправка Δt_МТ к t_Б^МТ может быть принята как Δt_МТ = +3 К для большинства городов, поскольку фактическая необеспеченность даже при экстремальных погодных условиях не превышает 1% или 22 час (рекомендуемую для категории потребителей 1 по [1]).

6.       Применение поправки Δt_МТ = +6 К, рекомендованной в п. 8.15 СП [5] при установке градирни на плоской кровле, для большинства городов не является необходимым.

7.       В качестве базовой температуры для расчета t_Р^МТ можно также использовать:

— температуру t*_МТ, определяемую по расчетным параметрам воздуха для холодильных установок с учетом соответствующих поправок Δt*_МТ (см. Приложение 2);

— температуру t_АМ^МТ, определяемую по абсолютной максимальной температуре по СП [7].