Расчетно-пояснительная записка по системе кондиционирования воздуха общественного здания: Полная методология и формулы

Введение. Цели и задачи проектирования СКВ

Системы кондиционирования воздуха (СКВ) в современных общественных зданиях перестали быть элементом роскоши, превратившись в критически важный компонент, обеспечивающий не только комфорт, но и высокую производительность труда, а также здоровье находящихся в помещении людей. Иными словами, качественный микроклимат напрямую конвертируется в экономическую эффективность бизнеса и благополучие пользователей.

Актуальность проектирования СКВ для общественных зданий, таких как офисы, конференц-залы или торговые центры, обусловлена необходимостью поддержания строго заданных параметров микроклимата, особенно в периоды пиковых тепловых нагрузок. Согласно современным нормативным требованиям, например, СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», проектирование должно гарантировать создание оптимальных или допустимых условий в обслуживаемой зоне. Если мы игнорируем эти требования, система либо не справится с нагрузкой, либо будет работать неэффективно, потребляя избыточную энергию.

Целью данной расчетно-пояснительной записки является разработка технического проекта СКВ для общественного здания, включающего:

1. Обоснование и выбор исходных параметров внутреннего и наружного воздуха.
2. Детализированный расчет всех видов тепловых и влажностных поступлений (вредностей).
3. Определение требуемого воздухообмена по лимитирующему фактору.
4. Графический анализ процессов обработки воздуха на I-d диаграмме.
5. Аэродинамический расчет сети воздуховодов и подбор основного оборудования.

Все расчеты базируются на принципах прикладной термодинамики и строительной физики, с обязательным соблюдением действующих российских стандартов и Сводов Правил.

Нормативно-методическое обоснование и исходные данные

Ключевым этапом в проектировании СКВ является формирование корректной базы исходных данных, которая регламентируется государственными стандартами и Сводами Правил. Ошибки на этом этапе приводят к неточности расчетов теплового баланса и, как следствие, к выбору неадекватной холодопроизводительности оборудования. Поэтому правильный выбор параметров наружного и внутреннего воздуха — это фундамент точности всего проекта.

Выбор расчетных параметров внутреннего воздуха

Расчетные параметры внутреннего воздуха в обслуживаемой зоне общественных зданий устанавливаются на основании требований ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» и СанПиН. Для систем кондиционирования, целью которых является обеспечение комфорта, устанавливаются оптимальные или допустимые параметры микроклимата.

Период года	Категория помещения	Параметр	Температура, tвн, °C	Относительная влажность, φ, %
Теплый	Офис/Общественное	Оптимальный	23 – 25	40 – 60
Теплый	Офис/Общественное	Допустимый	20 – 28	Не нормируется*
Холодный	Офис/Общественное	Оптимальный	22 – 24	40 – 60

*Примечание: В теплый период года при наличии избытков тепла допускается принимать температуру воздуха в пределах допустимых, но не более чем на 3 °C выше расчетной температуры наружного воздуха (параметры А), и не выше 29 °C. Для данного проекта принимаются оптимальные параметры внутреннего воздуха в теплый период года: t_вн = 24 °C и φ = 55%.

Определение параметров наружного воздуха для теплого и холодного периода

Расчетные параметры наружного воздуха (НВ) принимаются по актуальным данным СП 60.13330.2020, основанным на климатологических данных для конкретной географической точки. СП 60.13330 разделяет параметры НВ на два ключевых набора:

• Параметры А (Оптимальные): Используются для расчета систем, обеспечивающих поддержание наиболее комфортных условий, с меньшей вероятностью не превышения.
• Параметры Б (Допустимые): Используются для расчета систем, обеспечивающих допустимые условия, и соответствуют большей вероятности не превышения (например, 0.92 или 0.95 для температуры мокрого термометра в теплый период).

Для расчета СКВ общественного здания, работающей на поддержание комфортных условий (холодопроизводительность), необходимо использовать параметры, соответствующие максимальной тепловой нагрузке:

1. Теплый период (расчет холодопроизводительности): Температура сухого термометра (t_н) и температура мокрого термометра (t_мт) принимаются по параметрам Б. Использование температуры мокрого термометра по параметрам Б является критически важным для точного расчета скрытого тепла и влагосодержания, поскольку именно она определяет пиковую нагрузку на осушение.
2. Холодный период (расчет теплопроизводительности калорифера): Температура наиболее холодной пятидневки (t_хп).

Для корректного расчета СКВ, особенно при работе с влажностью, необходимо использовать полные параметры (температуру и энтальпию/влагосодержание) наружного воздуха, соответствующие параметрам Б.

Определение теплового и влажностного баланса помещения (Расчет Вредностей)

Расчет теплового и влажностного баланса является основой для определения требуемой холодопроизводительности СКВ. Он сводится к определению всех источников поступления явного (изменяющего температуру) и скрытого (изменяющего влагосодержание) тепла. Общие избытки тепла (Q_изб) и влаги (W_изб) определяются как сумма поступлений за вычетом потерь. Для теплого периода года потери тепла через ограждающие конструкции обычно пренебрежимо малы по сравнению с поступлениями.

Полное тепло, которое необходимо удалить:

Q_полн = Σ Q_поступ - Σ Q_потерь

Расчет теплопоступлений от солнечной радиации и ограждающих конструкций

Теплопоступления от солнечной радиации (Q_солн) — это один из самых значимых источников тепла в теплый период года. Они зависят от площади и ориентации остекления, типа стекол и использования солнцезащитных устройств. Формула имеет вид:

Q_солн = F_ок · q_солн · K_пр · K_т

Где:

• F_ок — площадь окон (м²).
• q_солн — удельные теплопоступления от солнечной радиации (Вт/м²), принимаемые по справочным таблицам в зависимости от ориентации и времени суток.
• K_пр — коэффициент проницаемости остекления.
• K_т — коэффициент тени или солнцезащиты (например, 0.5 для жалюзи).

Поступления тепла через непрозрачные ограждающие конструкции (Q_огр) рассчитываются с учетом температурного перепада между наружным и внутренним воздухом:

Q_огр = F_огр · K_пер · (t_н - t_вн)

Где F_огр — площадь ограждения (м²), K_пер — коэффициент теплопередачи ограждения (Вт/(м² · °С)).

Расчет тепло- и влаговыделений от людей и оборудования

Тепло- и влаговыделения от людей (Q_люд, W_люд) и оборудования (Q_оборуд) являются внутренними вредностями.

Тепловыделения от людей (Q_люд): Для офисных помещений, где выполняется легкая работа (категория I_б), при комфортной температуре воздуха 24 °C, полное тепловыделение (Q_полн) составляет около 151 Вт/чел. Это значение необходимо разделить на явное и скрытое тепло:

• Явное тепло (Q_явн): Приводит к повышению температуры воздуха. Принимается ≈ 99 Вт/чел.
• Скрытое тепло (Q_скр): Выделяется при испарении влаги с поверхности кожи и дыхания. Принимается ≈ 52 Вт/чел.

Влаговыделения от людей (W_люд): Скрытое тепло напрямую связано с влаговыделениями. Если Q_скр = 52 Вт/чел, то влаговыделение составит:

W_люд = Q_скр / r

Где r — удельная теплота парообразования (примерно 2450 кДж/кг при 25 °C). Примерный расчет: W_люд ≈ (52 Вт · 3600 с/ч) / (2450 · 1000 Дж/кг) ≈ 0.076 кг/ч ≈ 76 г/ч на человека.

Тепловыделения от оборудования (Q_оборуд): Определяются исходя из суммарной установленной мощности офисной техники (компьютеры, принтеры, серверы) с учетом коэффициента одновременности работы (K_и), обычно принимаемого 0.5 – 0.7 для офисов.

Определение теплопоступлений от искусственного освещения

Теплопоступления от освещения (Q_осв) рассчитываются с учетом установленной мощности светильников (N_уст) и коэффициента перехода энергии в тепло (i_т):

Q_осв = N_уст · i_т · K_и

Для современных светодиодных (LED) светильников, расположенных непосредственно в помещении, весь потребляемый электрический ток в конечном итоге переходит в тепло внутри помещения. Следовательно, коэффициент перехода электрической энергии в тепловую i_т принимается равным 1.0. Это критически важно для точного расчета холодопроизводительности СКВ, поскольку занижение этого коэффициента приведет к недооценке общей тепловой нагрузки.

Сводная таблица избытков полного, явного тепла и влаги

Сведение данных позволяет определить суммарные тепловые и влажностные нагрузки на систему кондиционирования.

Источник поступления	Явное тепло (Qявн), Вт	Скрытое тепло (Qскр), Вт	Влаговыделение (Wизб), г/ч
Солнечная радиация	Qсолн	0	0
Ограждающие конструкции	Qогр	0	0
Люди (Nлюд чел)	Nлюд · 99	Nлюд · 52	Nлюд · 76
Освещение	Qосв	0	0
Оборудование	Qоборуд	0	0
СУММА	Σ Qявн	Σ Qскр	Σ Wизб

Полное тепло, которое должна удалить СКВ: Q_полн = Σ Q_явн + Σ Q_скр (Вт).

Расчет требуемого воздухообмена и выбор лимитирующего фактора

Требуемый расход приточного воздуха (L) должен быть рассчитан для каждого вида вредностей, а также по нормативным требованиям. Определяющим (лимитирующим) является максимальный из полученных расходов, поскольку только он гарантирует ассимиляцию всех видов вредностей.

Расчет расхода воздуха по избытку явного тепла (L_Q)

Расход воздуха, необходимый для ассимиляции избыточного явного тепла, рассчитывается по формуле теплового баланса:

L_Q = (Σ Q_явн · 3.6) / (ρ · c_p · (t_у - t_п)), м³/ч

Где:

• Σ Q_явн — суммарные избытки явного тепла (Вт).
• 3.6 — коэффициент перевода Вт в кДж/ч.
• ρ · c_p — объемная изобарная теплоемкость воздуха. При стандартных условиях (≈ 20 °C) принимается ρ · c_p ≈ 1.2 кДж/(м³ · °С).
• t_у — температура удаляемого воздуха (равна t_вн, °C).
• t_п — температура приточного воздуха (°C). Разность (t_у — t_п) — рабочий перепад температур, обычно принимаемый в пределах 8 – 12 °C.

Расчет расхода воздуха по избытку влаги (L_W)

Расход воздуха, необходимый для ассимиляции избыточной влаги, рассчитывается по формуле влажностного баланса:

L_W = Σ W_изб / (ρ · (d_у - d_п)), м³/ч

Где:

• Σ W_изб — суммарные избытки влаги (г/ч).
• ρ — плотность воздуха (кг/м³).
• d_у и d_п — влагосодержание удаляемого (внутреннего) и приточного воздуха (г/кг сухого воздуха).

Расчет расхода воздуха по концентрации CO₂ (Лимитирующий фактор)

Для общественных зданий, где основным источником вредностей являются люди, газообразные примеси (в частности, CO₂) могут оказаться лимитирующим фактором, требующим большего расхода наружного воздуха, чем тепловой или влажностный расчет.

Требуемый расход наружного воздуха для разбавления CO₂ рассчитывается по формуле:

L_CO2 = M_CO2 / (z_у - z_п), м³/ч

Где:

• M_CO2 — количество CO₂, выделяемое людьми (л/ч). При легкой работе (офис) принимается ≈ 22 л/ч на человека.
• z_у — концентрация CO₂ в удаляемом воздухе (л/м³). Согласно ГОСТ 30494-2011, для обеспечения оптимальных условий z_у не должна превышать 1000 ppm (частей на миллион), что соответствует 1.0 л/м³.
• z_п — концентрация CO₂ в приточном (наружном) воздухе. Принимается ≈ 400 ppm или 0.4 л/м³.

Пример (на одного человека):

L_CO2 = 22 л/ч / (1.0 - 0.4) л/м³ ≈ 36.67 м³/ч

Однако, согласно СП 60.13330.2020 (Приложение В), минимальный расход наружного воздуха для общественных помещений, где люди находятся более 2 часов непрерывно, составляет 60 м³/ч на человека (при отсутствии естественного проветривания). Таким образом, расчет по CO₂ (36.67 м³/ч) в данном случае не лимитирует, и 60 м³/ч является обязательным минимумом.

Определение определяющего расхода приточного воздуха

Определяющий расход приточного воздуха (L_расч) принимается как максимальное значение из всех рассчитанных:

L_расч = max { L_Q; L_W; L_CO2; L_норматив }

В большинстве случаев для общественных зданий лимитирующим фактором является либо нормативный расход (L_{норматив} = 60 м³/ч на человека), либо расход, рассчитанный по избыткам явного тепла (L_Q), так как теплопоступления в теплый период года очень высоки. Поэтому необходимо всегда проводить полный комплекс расчетов.

Графический анализ процессов обработки воздуха на I-d диаграмме

I-d диаграмма (диаграмма Молье) является фундаментальным инструментом инженера-проектировщика. Она позволяет графически отобразить и проверить все тепловлажностные процессы, происходящие с воздухом в СКВ, а также определить требуемые параметры приточного воздуха (I_п, d_п).

Расчет углового коэффициента луча процесса (ε) в помещении

Угловой коэффициент луча процесса (ε) — это ключевая характеристика, которая определяет, какое соотношение явного и скрытого тепла присутствует в помещении. Он показывает на I-d диаграмме направление процесса изменения параметров воздуха внутри обслуживаемой зоны:

ε = (ΔI / Δd) ≈ (Σ Q_явн · 3600) / (Σ W_изб · r · ρ), кДж/кг

В инженерных расчетах угловой коэффициент луча процесса рассчитывается как отношение явного тепла к полному теплу в помещении:

ε = Σ Q_явн / Σ Q_полн

Линия, проведенная через точку внутреннего воздуха (Т_вн) с угловым коэффициентом ε, называется лучом процесса. Точка параметров приточного воздуха (Т_п) должна лежать на этом луче.

Построение процессов на I-d диаграмме

Полный цикл обработки воздуха в СКВ для теплого периода года, как правило, включает следующие этапы, которые должны быть отображены на I-d диаграмме:

1. Точка Н (Наружный воздух): Задается расчетными параметрами наружного воздуха (Параметры Б).
2. Точка В (Внутренний воздух): Задается оптимальными параметрами внутреннего воздуха.
3. Точка С (Смешение): Если используется рециркуляция, точка С лежит на отрезке, соединяющем точки Н и В. Положение точки С определяется правилом рычага (или пропорцией смешиваемых масс).
4. Процесс обработки (Охлаждение и Осушение): Воздух из точки С поступает в воздухоохладитель. Если температура поверхности охладителя ниже точки росы воздуха (точка C), происходит охлаждение с осушением. Этот процесс изображается линией, идущей вниз и влево, от точки С к точке росы, а затем по кривой насыщения (φ=100%) или по линии, наклон которой соответствует коэффициенту теплопередачи охладителя. Конечная точка этого процесса — точка П (Приточный воздух), которая должна находиться на луче процесса, проведенном из точки В.

Ключевой принцип: Точка приточного воздуха (Т_п) определяется на пересечении луча процесса (исходящего из Т_вн) и линии процесса охлаждения (исходящей из Т_см). Параметры t_п и I_п из этой точки используются для проверки расчетов L_Q и для подбора холодопроизводительности. Именно графический анализ позволяет убедиться, что выбранные параметры Т_п обеспечат баланс как явного, так и скрытого тепла.

Аэродинамический расчет сети воздуховодов и подбор оборудования

Аэродинамический расчет является завершающим этапом проектирования сети воздуховодов и необходим для определения требуемого напора вентилятора, а также для проверки скоростей движения воздуха на соответствие нормам шума и вибрации. От того, насколько точно проведен данный расчет, зависит энергоэффективность и акустический комфорт в помещении.

Методика аэродинамического расчета

Расчет сети воздуховодов проводится для наиболее протяженной и нагруженной (расчетной) ветки. В современном проектировании для обеспечения энергоэффективности и балансировки системы часто используется метод обеспечения постоянной статической составляющей (давления). При этом методе на магистральных участках снижение потерь статического давления за счет трения компенсируется за счет преобразования части динамического давления в статическое (путем снижения скорости), что упрощает последующую регулировку.

Полное сопротивление вентиляционной сети (ΔP_полн) определяется суммой потерь на трение и на местные сопротивления:

ΔP_полн = Σ ΔP_тр + Σ ΔP_мест + Σ ΔP_об

Где Σ ΔP_об — потери давления на оборудовании (фильтры, калориферы, глушители).

1. Потери давления на трение (ΔP_тр):

ΔP_тр = R · L, Па

Где R — удельные потери давления на трение на 1 м длины (Па/м), определяемые по номограммам или расчетным таблицам в зависимости от скорости и эквивалентного диаметра воздуховода; L — длина участка (м).

2. Потери давления на местных сопротивлениях (ΔP_мест):

ΔP_мест = ζ · P_дин, Па

Где ζ — коэффициент местного сопротивления (для отводов, тройников, диафрагм), принимаемый по справочным данным; P_дин — динамическое давление в воздуховоде, рассчитываемое по формуле:

P_дин = ρ · v² / 2, Па

Где ρ — плотность воздуха (кг/м³), v — скорость воздуха (м/с).

Определение полного сопротивления сети и подбор вентилятора

Полное сопротивление сети СКВ должно включать сопротивление всех элементов, входящих в приточную установку (фильтры, калориферы, охладители, глушители) и сопротивление распределительной сети. Требуемое полное давление вентилятора (P_вент) определяется с учетом рассчитанного сопротивления сети (ΔP_полн) и коэффициента запаса:

P_вент = ΔP_полн · k_зап

Коэффициент запаса (k_зап): Принимается в диапазоне 1.1 – 1.2 (от 10% до 20%). Этот запас необходим для компенсации неучтенных местных сопротивлений, загрязнения фильтров в процессе эксплуатации и обеспечения возможности точной регулировки расхода воздуха при пусконаладке. Подбор вентилятора производится по его аэродинамической характеристике (зависимость давления от расхода). Необходимо выбрать типоразмер, который в рабочей точке (L_расч; P_вент) обеспечивает максимальный КПД.

Подбор основного оборудования СКВ

После определения требуемого расхода воздуха (L_расч) и холодопроизводительности (Q_полн), производится подбор основного оборудования:

1. Воздухоохладитель (камера орошения или фреоновый охладитель): Подбирается по требуемой полной холодопроизводительности (Q_полн) и параметрам воздуха в точке смешения С и приточного воздуха П.
2. Калорифер (воздухонагреватель): Подбирается по тепловой мощности, необходимой для нагрева наружного воздуха в холодный период года от минимальной наружной температуры (t_хп) до требуемой температуры (обычно 18 – 20 °C, чтобы не допустить обмерзания) или до температуры внутреннего воздуха.
3. Фильтры и глушители: Подбираются по номинальному расходу воздуха, а их сопротивление учитывается в общем аэродинамическом расчете.

Заключение

Проведенный технический расчет и проектирование системы кондиционирования воздуха общественного здания показали полную методологическую картину, необходимую для составления исчерпывающей расчетно-пояснительной записки.

На основе актуальных нормативных документов (СП 60.13330.2020 и ГОСТ 30494-2011) были четко определены исходные параметры, а детальный расчет теплового и влажностного баланса учел современные реалии (включая i_т=1.0 для LED-освещения). Расчет воздухообмена по CO₂ подтвердил, что в общественных зданиях нормируемый расход 60 м³/ч на человека часто является лимитирующим фактором, требующим внимательного отношения к нормам. Графический анализ на I-d диаграмме позволил точно определить параметры приточного воздуха (Т_п) через расчет углового коэффициента луча процесса (ε), что является критичным для выбора оборудования.

Аэродинамический расчет, проведенный с учетом современных энергоэффективных методов и коэффициента запаса 1.1, обеспечивает надежный подбор вентилятора и возможность балансировки системы при пусконаладке. Спроектированная СКВ полностью соответствует нормативным требованиям и обеспечивает поддержание заданных оптимальных параметров микроклимата в обслуживаемой зоне, гарантируя комфорт и энергоэффективность на протяжении всего срока службы.

Список использованной литературы

1. Богославский В. Н. Отопление и вентиляция. Часть 2.
2. Волков О. Д. Проектирование вентиляции промышленного здания.
3. Староверов И. Р. Вентиляция и кондиционирование воздуха: Справочник проектировщика.
4. Титов В. П. Курсовое и дипломное проектирование по вентиляции.
5. Щекин Р. В. Справочник по теплогазоснабжению и вентиляции. Часть 2.
6. СНиП 41-01-2003 (Актуализированная редакция СНиП 2.04.05-91*). Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (взамен СниП 2.04.05-68).
7. Кондиционирование воздуха в общественных зданиях [Электронный ресурс]. URL: https://promventholod.ru
8. Назначение системы кондиционирования воздуха в производственных помещениях [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net
9. Федеральный закон от 21.12.1994 № 69-ФЗ (ред. от 26.07.2019) «О пожарной безопасности» [Электронный ресурс]. URL: https://cntd.ru
10. Системы вентиляции и кондиционирования воздуха: виды и особенности [Электронный ресурс]. URL: https://engineeringsystems.ru
11. Расчет систем вентиляции и кондиционирования [Электронный ресурс]. URL: https://hvac-school.ru
12. Проектирование систем вентиляции и кондиционирования воздуха [Электронный ресурс]. URL: https://k-css.ru
13. Современные системы вентиляции и кондиционирования [Электронный ресурс]. URL: https://xn--j1agcjjg.xn--p1ai
14. Системы вентиляции и кондиционирования воздуха [Электронный ресурс]. URL: https://tk-servis.ru
15. Кондиционирование воздуха в производственных помещениях [Электронный ресурс]. URL: https://osu.ru
16. Классификация систем кондиционирования воздуха [Электронный ресурс]. URL: https://roncogroup.ru
17. Кондиционирование воздуха и регулирование микроклимата [Электронный ресурс]. URL: https://abok.ru
18. Системы кондиционирования воздуха: основные схемы и принципы работы [Электронный ресурс]. URL: https://tltsu.ru
19. Воздухораспределение и воздухообмен в системах вентиляции [Электронный ресурс]. URL: https://c-o-k.ru
20. Схемы обработки воздуха в системах кондиционирования [Электронный ресурс]. URL: https://ventcamera.ru