Градусо-день отопления ( ГДН ) — это измерение, предназначенное для количественной оценки потребности в энергии , необходимой для отопления здания. ГДН выводится из измерений температуры наружного воздуха . Потребности в отоплении для данного здания в определенном месте считаются прямо пропорциональными количеству ГДН в этом месте.
Сопутствующие измерения включают градусо-день охлаждения (CDD), который количественно определяет потребность в кондиционировании воздуха .
Градусо-дни отопления определяются относительно базовой температуры — наружной температуры, выше которой здание не нуждается в отоплении. Базовые температуры могут быть определены для конкретного здания как функция температуры, до которой оно отапливается, или они могут быть определены, например, для страны или региона. В последнем случае для температурного порога могут существовать строительные стандарты или соглашения. К ним относятся:
Базовая температура не обязательно соответствует средней внутренней температуре здания, поскольку стандарты могут учитывать средние уровни изоляции здания и внутренние приросты для определения средней внешней температуры, при которой потребуется отопление. Также используются базовые температуры 16 °C и 19 °C (61, 66 °F). [5] Различия в выборе базовой температуры подразумевают, что значения HDD не всегда можно сравнивать — необходимо следить за тем, чтобы сравнивались только HDD с одинаковой базовой температурой.
Существует несколько способов расчета HDD: чем подробнее запись данных о температуре, тем точнее можно рассчитать HDD. HDD часто рассчитываются с использованием простых методов приближения, которые используют ежедневные показания температуры вместо более подробных записей температуры, таких как получасовые показания, последние из которых можно использовать для оценки интеграла . Один из популярных методов приближения, используемый Национальной метеорологической службой США, заключается в том, чтобы взять среднюю температуру в любой заданный день (среднее значение высокой и низкой температуры) и вычесть ее из базовой температуры. Если значение меньше или равно нулю, то в этот день HDD равен нулю. Но если значение положительное, то это число представляет собой количество HDD в этот день. (Для градусо-дней охлаждения процесс работает в обратном порядке: базовая температура вычитается из среднего значения, и если это значение положительное, то это число представляет собой CDD.) Этот метод работает удовлетворительно, если температура наружного воздуха не превышает базовой температуры. В климате, где это может время от времени происходить, существуют усовершенствования простого расчета, которые допускают некоторую «зачетную» за период дня, когда воздух достаточно теплый, чтобы отопление было ненужным. Этот более точный алгоритм позволяет вычислять результаты в умеренном климате (как морском, так и континентальном) в течение всего года (а не только в течение определенного отопительного сезона) и на еженедельной, а также на ежемесячной основе.
HDD можно добавлять в течение определенного периода времени, чтобы получить грубую оценку сезонных потребностей в отоплении. Например, в течение отопительного сезона количество HDD для Нью-Йорка составляет 5050, тогда как для Уткиагвика, Аляска , — 19990. Таким образом, можно сказать, что для данного дома с аналогичной структурой и изоляцией для отопления дома в Уткиагвике потребуется примерно в четыре раза больше энергии, чем в Нью-Йорке. Аналогично, для аналогичного дома в Майами , Флорида , градусо-дни которого для отопительного сезона составляют 500, потребуется примерно одна десятая энергии, необходимой для отопления дома в Нью-Йорке. [6]
Однако это теоретический подход, поскольку уровень изоляции здания влияет на потребность в отоплении. Например, температура часто опускается ниже базовой температуры ночью (дневная минимальная температура в суточном ходе), но из-за изоляции отопление не нужно. В конце весны и в начале осени или зимой в зависимости от климата достаточная изоляция поддерживает температуру в помещении выше, чем температура наружного воздуха, при небольшом отоплении или без него. Например, в Южной Калифорнии зимой отопление не нужно в Лос-Анджелесе и Сан-Диего, если изоляция достаточна для учета более низких ночных температур. Кроме того, здания включают термическую массу , такую как бетон, которая способна сохранять энергию солнца, поглощенную днем. Таким образом, даже если градусо-дни отопления указывают на потребность в отоплении, достаточная изоляция здания может сделать отопление ненужным.
HDD предоставляет простую метрику для количественной оценки количества тепла, необходимого зданиям в определенном месте за определенный период (например, за определенный месяц или год). В сочетании со средним значением U для здания они предоставляют средство приблизительной оценки количества энергии, необходимого для отопления здания за этот период.
Один HDD означает, что температурные условия снаружи здания были эквивалентны температуре внутри здания ниже определенного порогового значения комфортной температуры на один градус в течение одного дня. Таким образом, для поддержания теплового комфорта внутри здания должно быть обеспечено тепло.
Допустим, нам дано количество градусо-дней отопления D в году, и мы хотим рассчитать энергию, требуемую зданию. Мы знаем, что тепло должно поставляться с той скоростью, с которой оно теряется в окружающую среду. Это можно рассчитать как сумму теплопотерь на градус каждого элемента тепловой оболочки здания (например, окон, стен и крыши) или как среднее значение U здания, умноженное на площадь тепловой оболочки здания, или непосредственно для всего здания. Это дает удельную скорость теплопотерь здания P specific , обычно выраженную в ваттах на кельвин (Вт/К). Общая энергия в киловатт-часах (кВт⋅ч) затем определяется по формуле:
Так как общее потребление энергии измеряется в киловатт-часах, а градусо-дни отопления — это [кол-во дней×градусы], мы должны преобразовать ватты на кельвин в киловатт-часы на градус в день, разделив на 1000 (чтобы преобразовать ватты в киловатты) и умножив на 24 часа в сутках (1 кВт = 1 кВт⋅ч/ч). Поскольку изменение температуры на 1 °C и изменение абсолютной температуры на 1 К одинаковы, они сокращаются, и преобразование не требуется.
Пример: для типичного зимнего дня в Нью-Йорке с максимальной температурой 40 °F и минимальной 30 °F средняя температура, вероятно, составит около 35 °F. Для такого дня мы можем приблизительно рассчитать HDD как (65 − 35) = 30. Месяц из тридцати подобных дней может накопить 900 HDD. Год (включая средние летние температуры выше 70 °F) может накопить ежегодные 5000 HDD.
Расчеты с использованием HDD имеют несколько проблем. Потребности в отоплении нелинейны с температурой, [7] и здания с высокой изоляцией имеют более низкую «точку равновесия» . Требуемое количество отопления и охлаждения зависит от нескольких факторов, помимо наружной температуры: насколько хорошо изолировано конкретное здание, количество солнечного излучения , достигающего внутренней части дома, количество работающих электроприборов (например, компьютеры повышают окружающую температуру), количество ветра снаружи и то, какую температуру считают комфортной жильцы. Другим важным фактором является количество относительной влажности в помещении; это важно для определения того, насколько комфортно будет человеку. Другие переменные, такие как осадки, облачность, тепловой индекс, альбедо здания и снежный покров, также могут изменить тепловую реакцию здания.
Другая проблема с HDD заключается в том, что необходимо проявлять осторожность, если они используются для сравнения климатов на международном уровне, из-за различных базовых температур, используемых в качестве стандарта в разных странах, и использования шкалы Фаренгейта в США и шкалы Цельсия почти везде. Это еще больше усугубляется использованием различных методов аппроксимации в разных странах.
Чтобы преобразовать °F HDD в °C HDD:
Чтобы преобразовать °C HDD в °F HDD:
Обратите внимание, что поскольку жесткие диски отсчитываются относительно базовой температуры (а не относительно нуля), то при переводе градусо-дней из градусов Цельсия в градусы Фаренгейта и наоборот прибавлять или вычитать 32 будет неправильно.
