629.85Kb - G

УДК 621.565.83
ВЛИЯНИЕ КЛИМАТА НА РАБОТУ ХОЛОДИЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ ЭФФЕКТИВНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В
КОСМИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО
Цой А.П., к.т.н.1; Грановский А.С. 1; Цой Д.А.1; Бараненко А.В., д.т.н.2;
1 – Алматинский технологический университет,
Республика Казахстан, 050012, г. Алматы, ул. Толе би, 100
2 –Университет ИТМО,
197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр.49
Аннотация
При помощи двух методик проведен расчет теоретически-возможной
холодопроизводительности идеальной холодильной системы, использующей эффективное
излучение в космическое пространство. Расчеты проведены для городов, расположенных
от 43° до 59° северной широты: Алматы, Владивосток, Усть-Каменогорск, Петропавловск,
Омск, Казань, Москва и Санкт-Петербург. Представлены графики суммарного количества
холода за год и за отдельные месяцы в зависимости от температуры излучающей
поверхности. Установлено, что наибольшее количество холода за год может быть
произведено в условиях климата города Омск, а наименьшее в Алматы. В зимнее время
при температуре излучающей поверхности 0 °C количество произведенного системой
холода превышает количество холода, произведенное в летнее время при температуре
излучающей поверхности 20 °C. Предложен способ оценки количества теплоты,
отводимого от радиатора за счет конвективного теплообмена на основе градусо-часов
охлаждения. Представлены результаты расчета количеств градусо-часов охлаждения за
год для всех перечисленных ранее городов. Далее приводятся графики, показывающие,
какое количество часов в году температура воздуха в каждом из городов держится ниже
заданной. При помощи этих графиков предполагается производить оценку рабочего
времени холодильной системы в течение года. В летний период за счет эффективного
излучения может быть получена температура хладоносителя не ниже 15…20 °C. В зимнее
время ни в одном из рассмотренных городов невозможно использовать эффективное
излучение для стабильного охлаждения до температуры ниже -10 °C.
Полученные данные могут быть использованы при проектировании систем
охлаждения рассматриваемого типа, а также при проектировании традиционных
холодильных машин, использующих естественное охлаждение (Free cooling).
Ключевые слова: эффективное излучение, ночное радиационное охлаждение,
холодильная техника, альтернативные способы охлаждения, климат
Abstract
Theoretically possible cooling capacity of an ideal refrigeration system using
the effective radiation into space was calculated by two methods. The calculations
were performed for the cities located from 43 ° to 59 ° north latitude: Almaty,
Vladivostok, Ust-Kamenogorsk, Petropavlovsk, Omsk, Kazan, Moscow and St.
Petersburg.
The graphs of the total amount of cold for the year and for some months
depending on the temperature of the radiating surface are shown. It is found that
the greatest amount of cold for the year can be produced in the climatic conditions
of the city of Omsk, and the smallest in Almaty. In winter, when the temperature of
the radiating surface is 0° C, the amount of cold produced by the system exceeds
the number of cold produced in the summer when the temperature of the radiating
surface is 20 ° C
A method for estimating the amount of heat withdrawn from the radiator
due to convective heat transfer through the cooling degree-hours is developed. The
results of the calculation of the number of degree-hours of cooling for the year for
all of the above cities are presented. Also graphs in the article are showing how
many hours per year the temperature in each of the cities is below given
temperature. With the help of these graphs it is expected to make an assessment of
the working time of the refrigeration system during the year. In the summer period
due to effective radiation the coolant temperature can become not lower than 15 ...
20 ° C. In the winter, in any of the reviewed cities it is considered impossible to
use the effective radiation for stable cooling to a temperature below -10 ° C.
The data obtained can be used in the design of cooling systems of the
considered type, as well as in the design of standard refrigerators that use natural
cooling (Free cooling).
Keywords: effective radiation, nocturnal radiative cooling, refrigeration, alternative
methods of cooling, climate
Введение
В настоящее время одним из основных трендов развития холодильной
техники, как и другого энергопотребляющего оборудования, является
повышение ее энергетической эффективности и экологической безопасности
[1,2]. К одной из энергосберегающих технологий относится охлаждение при
помощи эффективного излучения в космическое пространство. Данная
технология приводит к понижению температуры охлаждаемого объекта за
счет излучения инфракрасных волн в направлении ночного неба. При этом
часть от всего излучения проходит через слой атмосферы и безвозвратно
уходит в космическое пространство. В результате температура излучающей
поверхности оказывается ниже температуры окружающего воздуха в
приземном слое атмосферы .
Холодильная система, использующая эффективное излучение, состоит
из устройства для охлаждения хладоносителя (радиатора), аккумулятора
холода, устройства для отвода теплоты от охлаждаемого объекта
(теплообменника), а также трубопроводов и циркуляционных насосов для
перемещения хладоносителя от одних элементов системы к другим [3].
В ночное время хладоноситель охлаждается в радиаторе и
накапливается в аккумуляторе холода. При необходимости хладоноситель
подается в охлаждающие элементы и отводит теплоту от охлаждаемого
объекта.
2
Охлаждение за счет эффективного излучения привлекательно тем, что
позволяет сократить использование энергии, потребляемой холодильными
системами, а также дает возможность отказаться от применения
холодильных агентов [4], которые могут оказывать негативное воздействие
на окружающую среду [7]. Интенсивность охлаждения зависит от
климатических условий. Применение охлаждения за счет эффективного
излучения наиболее оправдано в регионах с засушливым климатом [8]. В
таком климате в слое атмосферы наблюдается наименьшее содержание
водяного пара, который является одним из основных веществ,
препятствующих прохождению инфракрасного излучения в космическое
пространство [9].
Множество работ проводилось для определения возможностей
использования эффективного излучения в различных климатических
условиях. Известны исследования, проведенные в США [10], Канаде [11],
Чехии [12], Китае [13], Таиланде [14,15], Египте [16], ЮАР [17], Израиле
[18], Норвегии [19] и других странах. Однако, возможности применения
этой технологии охлаждения на территории Казахстана и России остались
неизученными.
В данной работе оценено влияние климатических условий в различных
городах России и Казахстана на процесс охлаждения за счет эффективного
излучения.
При этом авторы предприняли попытку ответить на следующие
вопросы.
Во-первых, во всех перечисленных работах основное внимание
уделялось изучению возможностей применения эффективного излучения в
системах кондиционирования жилых и офисных зданий в летнее время. В
условиях резко-континентального климата значительную часть года
температура воздуха остается достаточно низкой и охлаждение воздуха в
зданиях не требуется. При этом низкие температуры окружающей среды
дают возможность получить достаточно низкие температуры в холодильных
системах, использующих эффективное излучение. Поэтому следует
рассмотреть возможность их использования в промышленных системах
охлаждения, температура в которых близка к 0 °C.
Во-вторых, важно определить величину охлаждающего эффекта для
различных температурных режимов охлаждаемого объекта до -30°C. Ранее
исследования проводились лишь для температур в диапазоне +20…+25°C.
В-третьих, необходимо определить, какую часть времени система
сможет обеспечивать работу в требуемом температурном режиме. Этот
вопрос крайне важен, так как простои вызывают увеличение срока
окупаемости и могут сделать систему эффективного излучения
непривлекательной с экономической точки зрения.
Методы исследования
Основные показатели, описывающие работу любой холодильной
системы: эффективность, холодопроизводительность и температура
3
охлаждаемого объекта. Последняя величина обычно жестко задана.
Требуется лишь определить, холодопроизводительность холодильной
системы в заданном температурном режиме при определенных
климатических условиях.
Чтобы понять, как климат влияет на возможности применения
эффективного излучения, исследуем работу «идеальной» холодильной
системы.
В ней отсутствуют теплопритоки к хладоносителю от окружающей
среды в трубопроводах и в аккумуляторе холода. Площадь поверхности
радиатора 1 м2. Относительная излучательная способность поверхности
радиатора в инфракрасном диапазоне 𝛿вп = 1. Температура поверхности
радиатора равна температуре хладоносителя. Радиатор расположен
горизонтально. Весь холод, производимый радиатором, транспортируется в
аккумулятор холода без каких-либо потерь. У такой системы
холодопроизводительность равна потоку эффективного излучения.
Поток эффективного излучения – это разность собственного излучения
поверхности радиатора и поглощённого им встречного потока излучения
атмосферы. Он определяет максимальное возможное количество теплоты,
которое может быть отведено от радиатора за счет радиационного
теплообмена при заданных условиях.
Для расчета потока эффективного излучения будем использовать две
методики: первую, разработанную нами [5,6], и вторую, предложенную в
работе [8].
Первая методика:
𝐸эф = 𝛿ип [𝜎𝑇в4 𝑘вп 𝑘об + 𝑘ст ],
(1)
где 𝑘ст – поправка на разницу температур между температурой излучающей
поверхности и температурой воздуха, Вт;
𝑘вп – коэффициент, учитывающий влияние содержания водяного пара в
воздухе приземного слоя атмосферы;
𝑘об – коэффициент, учитывающий влияние облачности.
𝑘вп = 0,264 − 0,0052 (𝑇ро − 273,15);
(2)
2
𝑘об = 1 − с𝑅1 ;
(3)
4
4 ],
𝑘ст = 𝜎[𝑇ип − 𝑇в
(4)
Вторая методика:
4
𝐸эф = 𝛿ип 𝜎(𝑇ип
− 𝑇н4 ).
(5)
Для расчета условной температуры неба 𝑇н используется следующая
формула:
𝑇н = 𝑇в ∙ (𝛿н + 𝐶𝐹𝑎𝑙 )0,25 ∙ 𝐶𝐹𝑐𝑙0,25 ,
(6)
где
𝐶𝐹𝑐𝑙 = 1 + 0,0224𝑅2 − 0,0035𝑅22 + 0,00028𝑅23 ;
(7)
𝐶𝐹𝑎𝑙 = 0,12(𝑝ат − 1);
(8)
𝑇ро
𝛿н = 0,787 + 0,764 𝑙𝑜𝑔 ( ).
(9)
273
В формулах использованы следующие обозначения:
4
𝑇ип , 𝑇н , 𝑇в , 𝑇ро – соответственно температуры излучающей поверхности
радиатора, ночного неба, воздуха и точки росы воздуха, К;
𝜎 – постоянная Стефана-Больцмана, 5,67 ∙ 10−8 Вт/(м2·K4);
𝛿ип , 𝛿н – относительная излучательная способность поверхности
радиатора и безоблачного ночного неба;
𝑝ат – атмосферное давление, бар;
𝑅1 – общая степень облачности в долях от единицы, 0 ≤ 𝑅 ≤ 1;
𝑅2 – степень облачности ночного неба, баллов. Для безоблачного неба
𝑅 = 0, а для полностью закрытого облаками неба 𝑅 = 10;
c – коэффициент, показывающий как изменяется влияние облачности
на величину эффективного излучения в зависимости от географической
широты местности, для которой производятся расчеты.
Коэффицинт 𝐶𝐹𝑎𝑙 учитывает высоту расположения излучающей
поверхности над уровнем моря. При подъеме на большую высоту
уменьшается толщина атмосферы и увеличивается величина потока
эффективного излучения.
Общее количество холода, которое может быть произведено идеальной
холодильной системой за одну ночь определим по формуле:
𝑄н = 3600𝐸эф 𝜏н ,
(10)
2
где 𝐸эф – поток эффективного излучения, Вт/м ;
𝜏н – продолжительность ночи, равная времени между закатом и
восходом солнца, часов.
В реальной системе охлаждения, количество холода, произведенного за
счет радиационного теплообмена, будет несколько меньше рассчитанного по
указанной формуле, и в значительной мере будет определяться
конструктивными особенностями всех элементов системы охлаждения.
Рассчитанное же значение будет показывать максимальное теоретическивозможное количество холода, получаемого с одного квадратного метра
излучающей поверхности радиатора за одну ночь исключительно за счет
радиационного теплообмена. При этом предполагается, что конвективный
теплообмен излучающей поверхности радиатора с окружающей средой
отсутствует.
Процесс охлаждения происходит в ночное время, поэтому нам
необходимы данные только о ночных параметрах воздуха в приземном слое
атмосферы.
В расчетах использованы почасовые записи метеорологических
условий с метеостанций [20,21], поскольку приводимые в литературе по
климатологии среднемесячные значения необходимых параметров [24,25] не
дают возможности точно определять средне ночное значение потока
эффективного излучения.
Продолжительность ночей может быть определена при помощи
ресурсов [22,23].
Данные об изменении атмосферного давления в зависимости от высоты
над уровнем моря приведены в [24,25].
5
Для каждого города были выбраны необходимые данные за период,
равный одному году.
Подставляя в формулы для расчета потока эффективного излучения
(1,5) значения температуры воздуха, точки росы, излучающей поверхности,
облачности и атмосферного давления, рассчитаем средне ночные значения
потока эффективного излучения. Далее по формуле (10) на основе данных о
продолжительности ночи рассчитаем количество холода, получаемое за ночь.
Аналогичные вычисления проведем для каждой ночи рассматриваемого
периода. Просуммировав полученные количества холода за каждую из ночей,
получим суммарное количество холода за месяц и за год целом, при этом в
расчет берутся только те дни, когда охлаждающий эффект был
положительный.
Результаты и их обсуждение
Были обработаны данные о климате для следующих городов: Алматы
(43° с.ш.),
Владивосток
(43° с.ш.),
Усть-Каменогорск
(49° с.ш.),
Петропавловск (54° с.ш.), Омск (54° с.ш.), Казань (55° с.ш.), Москва
(55° с.ш.) и Санкт-Петербург (59° с.ш.).
В таблице 1 представлены данные о продолжительности ночей. В
таблице 2 представлены среднемесячные и среднегодовые температуры
ночного воздуха.
Среднемесячная продолжительность ночи, минут
Город
1
Алматы
Владивосток
Усть-Каменогорск
Омск
Петропавловск
Казань
Москва
Санкт-Петербург
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Суммарная за
год, часов
Таблица 1 – Продолжительность ночей
11
12
895
842 767 676 593 530 521 569 649 732 821
884
4240
897
950
845 770 678 595 532 521 567 647 734 821
900 782 666 559 476 462 525 629 740 852
885
935
4246
4238
1003 915 796 656 526 422 403 485 652 745 880 1005 4244
1002 915 796 657 527 423 405 486 613 745 880 983 4216
854 921 798 651 519 411 392 477 609 746 885 993 4128
1012 921 796 832 654 410 393 479 610 747 886 993 4210
1075 959 812 644 483 347 321 432 591 751 916 1049 4190
Среднемесячная температура ночного воздуха, °C
Город
Алматы
Владивосток
Усть-Каменогорск
Омск
Казань
1
2
-11,6
-17,1
-9,7
-18,1
-11,1
-6,0
-12,1
-12,5
-12,6
-7,6
3
4
5
6
7
8
9,0 12,5 20,7 24,3 25,4 25,1
-3,9 1,8 8,9 14,3 19,9 19,6
-0,3 7,9 11,6 17,0 19,6 17,7
-7,5 5,9 13,6 17,4 15,5 15,2
-7,8 5,0 14,0 20,0 20,3 19,5
6
9
10
11
12
18,7
13,2
10,7
9,3
11,5
10,3
6,4
5,4
-0,4
4,5
3,6
-1,1
-0,2
-5,4
2,3
-2,8
-11,3
-5,4
-16,0
-4,6
Сред. за
год
Таблица 2 – Среднемесячные температуры ночного воздуха
10,8
3,2
5,2
1,4
5,5
Москва
-7,4 -12,6 -6,9
Санкт-Петербург -5,8 -3,9 -7,8
Петропавловск -17,1 -13,5 -8,2
2,9 13,0 18,1 17,7 17,2 10,9 6,6
2,9 13,0 18,1 17,7 17,2 10,9 6,6
4,0 8,7 16,4 18,3 15,8 9,1 2,0
-0,4 -9,1
-0,4 -2,9
0,2 -9,3
4,2
5,5
2,2
Результат расчёта температуры ночного неба представлен в таблице 3.
Наименьшие температуры ночного неба наблюдаются в Омске. Наибольшие
в Алматы.
Среднемесячная температура ночного неба, °C
Город
Алматы
Владивосток
УстьКаменогорск
Омск
Петропавловск
Казань
Москва
СанктПетербург
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
-1,1
7,9
10,7
12,3
10,8
4,4
-1,9
-9,3 -14,6 -2,4
-31,2 -25,8 -16,2 -9,4
-1,2
5,8
11,4
10,0
2,5
-5,8 -13,7 -25,4 -8,3
-20,2 -23,0 -10,5 -3,1
0
5,5
8,6
6,5
-2,1
-5,9 -11,2 -17,0 -6,0
-4,4
-6,4
-6,2
-8,3
2,1
-2,8
1,8
2,0
6,0
4,1
8,3
7,2
4,8
8,1
8,5
6,9
4,3
6,0
8,6
6,2
-3,3 -11,3 -16,0 -26,9 -9,6
-1,5 -8,0 -9,6 -19,7 -8,5
3,0 -4,6 -7,0 -13,5 -4,9
0,5 -3,6 -10,7 -18,4 -6,4
-15,0 -12,7 -20,8 -8,3
2,0
7,2
6,9
6,2
0,5
-25,0 -18,9 -4,0
-29,4
-28,3
-20,8
-17,0
-22,5
-24,9
-18,3
-22,1
-18,3
-19,2
-18,7
-19,5
12
Сред.
за год
Таблица 3 –Температура ночного неба
-3,6 -10,7 -13,7 -5,2
Сравним результаты расчетов температуры ночного неба с данными
других работ. В Омске годовой ход температур ночного неба сопоставим с
наблюдаемыми в городе Урумчи [13]. Однако, в летние месяцы температура
ночного неба в Омске в среднем на 5 °C ниже, чем в Урумчи.
Во всех рассматриваемых городах летние температуры ночного неба
равны или ниже наблюдаемых в Урумчи и Ланьчжоу. Однако зимние
температуры в Урумчи (около -30 °C) значительно ниже наблюдаемых в
Москве, Казани, Санкт-Петербурге и Усть-Каменогорске. Возможно, это
вызвано тем, что климат в Урумчи значительно более засушливый.
Следующие графики (см. рис. 1) показывают суммарное количество
холода, получаемое за год в зависимости от температуры излучающей
поверхности tип и среднегодовой температуры неба tн.
7
(а)
(б)
Рис. 1. Количество холода, полученного за год с 1 м2 излучающей
поверхности в зависимости от среднегодовой температуры ночного неба и
температуры излучающей поверхности
(а) по первой методике; (б) по второй методике
1 – Омск, 2 – Петропавловск, 3 – Владивосток, 4 – Москва; 5 – УстьКаменогорск, 6 – Санкт-Петербург, 7 – Казань, 8 – Алматы
Расчеты количества холода за год по обеим методикам дают
сопоставимые результаты. При этом все результаты расчета по первой
методике немного больше результатов расчета по второй методике.
Наибольшее количество холода за год может быть получено в Омске и
Петропавловске. Наихудшие условия для охлаждения наблюдаются в
Алматы. Разница между количеством холода за год в Омске и Алматы
составляет: 45 МДж/м2 при 𝑡ип = −30 °C; 588,8 МДж/м2 при 𝑡ип = 20 °C;
528 МДж/м2 при 𝑡ип = 100 °C.
8
Разница между результатами расчета по первой и второй методике
представлена на рис. 2. Наибольшие расхождения в расчетах получены для
климата Владивостока. Здесь в зимний период наблюдается сравнительно
низкая степень облачности (около 35…40%), а также низкая влажность, что,
по всей видимости, и повлияло на результат.
ΔQг, МДж
250
Алматы
Усть-Каменогорск
Омск
Казань
Москва
Санкт-Петербург
Петропавловск
Владивосток
200
150
100
50
tип, ºC
0
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Рис. 2. Расхождение результатов расчетов холодопроизводительности за год
по первой и второй методике в зависимости от температуры излучающей
поверхности
Рис. 1 не отображает значительную разницу в величине охлаждающего
эффекта в различных городах, в отдельные сезоны годы.
tип=20 °С
Q, МДж
500
400
300
(а)
200
100
Месяц
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
tип=15 °С
Q, МДж
400
300
(б)
200
100
Месяц
0
1
2
3
4
5
6
7
9
8
9
10
11
12
tип=10 °С
Q, МДж
350
300
250
200
150
100
50
0
(в)
Месяц
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
tип=0 °С
Q, МДж
250
200
150
(г)
100
50
Месяц
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
tип=-10 °С
Q, МДж
200
150
(д)
100
50
Месяц
0
1
2
1
2
3
4
3
4
5
Алматы
Владивосток
Казань
Москва
6
7
8
9
10
11
12
Омск
Петропавловск
Санкт-Петербург
Усть-Каменогорск
5
6
7
8
Рис. 3. Общее количество холода за месяц в различных городах
Из диаграмм на рисунке 3 видно, что в отдельные месяцы общее
количество холода, полученное с 1 м2 радиатора, может значительно
изменяться в зависимости от города. Так в летние месяцы в Алматы общее
количество холода составляет только половину от этого значения для Омска.
Наилучшие условия охлаждения во все периоды года наблюдаются во
Владивостоке, Петропавловске и Омске.
Суммарное количество холода за зимние месяцы при температуре
излучающей поверхности 𝑡ип = 0 ℃ в среднем почти в два раза больше
суммы холода за летние месяцы при 𝑡ип = 20 ℃.
10
Отдельно определим возможный охлаждающий эффект от
конвективного теплообмена. Для этого воспользуемся методикой, похожей
на применяемую при расчетах энергозатрат на отопление или охлаждение
через градусо-сутки отапливаемого или охлаждаемого периода [26]. Введем
понятие градусо-час охлаждения (ГЧО) как произведение перепада между
температурой хладоносителя и температурой воздуха на продолжительность
времени, в течение которого наблюдаются данные температурные
параметры:
ГЧО = ∑𝑛𝑖=1(𝑡х − 𝑡в ) ∙ 𝜏н ,
(11)
где: 𝑡х и 𝑡в – соответственно температуры хладоносителя, подаваемого в
радиатор и средне ночная температура воздуха, °C;
𝜏н – время работы холодильной системы в течение ночи, часов;
𝑛 – число ночей за рассматриваемый период времени, когда средне
ночная температура воздуха выше температуры хладоносителя. Другими
словами это число ночей, когда тепло из холодильной системы естественным
образом за счет конвекции уходит в окружающую среду.
Зная коэффициент теплового сопротивления излучающей поверхности
радиатора или любого другого элемента системы, можно рассчитать
суммарное количество теплоты, которое будет отведено из системы
охлаждения в окружающую среду (МДж):
3,6∙ГЧО∙𝐹э
Q конв =
,
(12)
3
𝑅э ∙10
где: 𝐹э – площадь поверхности теплообмена элемента холодильной
системы, м2;
𝑅э – коэффициент термического сопротивления стенки элемента
системы, м2·K/Вт.
На рис. 4а и рис. 4б представлен результат расчета количества градусочасов охлаждения для различных городов. На них по горизонтальной оси
отложена среднегодовая температура ночного воздуха. Наклонные линии на
рисунках соответствуют постоянным значениям температуры излучающей
поверхности.
Рис. 4б отображает диапазон изменения ГЧО при температурах
излучающей поверхности от -20 до +25 °C. На рис. 4а можно определить
ГЧО при температуре излучающей поверхности до +100 °C.
11
ГЧО·103, K·час
450
tип, °C
400
1 2
3
100
5
4
6
350
8
7
80
300
250
60
200
50
150
40
100
30
50
20
10
0
0
0
120
5
10
(а)
tв, °C
ГЧО·103, K·час
tип, °C
1 2
100
3
30
4
5
80
6
25
7
8
60
20
40
15
10
-20
20
-15
0
0
5
10
5
0
-5
-10
(б)
tв, °C
Рис. 4. Количество ГЧО в зависимости от температуры излучающей
поверхности радиатора для городов: 1– Омск; 2 – Петропавловск; 3 –
Владивосток; 4 – Москва; 5 – Усть-Каменогорск; 6 – Санкт-Петербург; 7 –
Казань; 8 – Алматы
12
При температуре излучающей поверхности -30…-20 °C количество
ГЧО не превышает 1000 K·час.
Пример. Для города Алматы (см. рис. 4а) среднегодовая температура ночного
воздуха tв=10,8 °C (вертикальная штриховая линия № 8). Если предположить, что
температура хладоносителя в системе равна температуре излучающей поверхности и
равна 10 °C, получим ГЧО=24000 K·час. Зная среднее для определенной конструкции
радиатора 𝑅э = 0,5 м2·K/Вт, рассчитаем количество теплоты передаваемое от радиатора за
счет конвекции за год по формуле 12:
3,6 ∙ ГЧО 3,6 ∙ 24000
𝑄=
=
= 172,8 МДж.
𝑅э ∙ 103
0,5 ∙ 103
За счет радиационного теплообмена в тех же условиях создается 1100 МДж
охлаждения. Следовательно, количество теплоты, передаваемое за счет излучения, в 6 раз
превосходит количество, передаваемое за счет конвекции. Общее же количество холода,
произведенное радиатором за год, составит 1272,8 МДж.
Далее представим продолжительность времени за год, в течение
которого температура воздуха не превышает заданного значения (см. рис. 5а
и 5б). Данные графики можно использовать для оценки того, сколько
времени в году система сможет работать в заданном температурном режиме.
Формулы для расчета количества часов в год, когда температура
воздуха не превышает заданную, представлены на рисунках. В них 𝑥 – это
температура воздуха, °C.
Пример. Необходимо поддерживать температуру охлаждаемого объекта 10 °C.
При этом температура хладоносителя в системе должна быть несколько ниже
температуры охлаждаемого объекта для поддержания нормальной теплопередачи в
теплообменнике холодильной системы. В данном случае будем считать, что температура
хладоносителя должна быть не выше 5 °C и может изменяться в диапазоне от 0 до 5°C.
Радиаторы системы могут производить охлаждение в условиях, когда температура
хладоносителя примерно равна температуре окружающего воздуха или больше нее.
Следовательно, холодильная система будет нормально функционировать только тогда,
когда температура ночного воздуха будет находиться в диапазоне от 0 до 5°C. Такие
условия (см. рис. 5а) в Алматы наблюдаются 1430…1880 часов за год и 2320…2770 часов
за год в Омске. Можно предположить, что остальные 2360…2810 часов в Алматы и
1470…1920 часов в Омске температура воздуха будет слишком высокой и холодильная
система, использующая эффективное излучение, будет простаивать.
13
τ, часов
4000
3500
1. y = 89,716x + 1436,1
2. y = 100,76x + 1891,6
3. y = 95,108x + 2166,2
3000
4. y = 89,8x + 2316,1
2500
2000
4
1500
(a)
2
1000
1
500
3
tв, °C
40
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
τ, часов
4000
3500
6
3000
2500
(б)
2000
1500
8
1000
5
5. y = 94,493x + 1882,8
6. y = 100,33x + 1928,1
7. y = 115,9x + 1772,3
8. y = 89,413x + 1982,6
500
7
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
tв, °C
40
Рис. 5 – Количество ночных часов за год τ, когда температура воздуха
меньше заданной 𝑡в :
1 – Алматы; 2 – Усть-Каменогорск; 3 – Петропавловск; 4 – Омск;
5 – Казань; 6 – Москва; 7 – Санкт-Петербург
Можно ожидать, что при любой требуемой температуре процесс
охлаждения за счет эффективного излучения в Омске будет продолжаться в
среднем на 800 часов больше, чем в Алматы.
Следующие диаграммы (рис. 6) показывают количество часов в ночное
время по месяцам, в течение которого температура воздуха меньше заданной
температуры.
14
600
τ, часов
tв=20 °С
500
400
(а)
300
200
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
τ, часов
12
месяц
tв=15 °С
600
500
400
300
200
100
0
(б)
месяц
1
600
500
400
300
200
100
0
11
2
3
4
5
6
7
8
9
10
τ, часов
11
12
tв=10 °С
(в)
месяц
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
τ, часов
11
12
tв=0 °С
600
500
400
300
200
100
0
(г)
месяц
1
2
3
4
5
6
7
8
15
9
10
11
12
τ, часов
tв=-10 °С
600
500
400
300
200
100
0
(д)
месяц
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
– Алматы; – Омск; – Казань
Рис. 6 – Количество часов в месяц, когда температура воздуха ниже
заданной 𝑡в
В городе Алматы, условия для охлаждения наихудшие. В летние
месяцы температура воздуха ниже 20 ℃ наблюдаются не более 10…20 % от
общей продолжительности ночей. В Омске такие условия наблюдаются не
менее 85 % времени.
Возможности получения температур ниже 10…15 °C (см. рис. 6в, 6г и
6д) в летнее время отсутствуют. Так ни в одном из рассмотренных городов
стабильное охлаждение до требуемой температуры не может быть
гарантированно в июле.
Следовательно, в летние месяцы за счет
эффективного излучения температура хладоносителя может быть понижена
только до 15…20 °C.
В Омске охлаждение до 0 °C возможно в течение 6 месяцев, а в Алматы
не более 4 месяцев.
Выводы
Проведенные расчеты теоретически-возможной холодопроизводительности идеальной холодильной системы, использующей эффективное
излучение, показали следующие результаты:
 Обе методики расчета потока эффективного излучения, рассмотренные в
данной работе, дают сопоставимые результаты при вычислении
суммарного количества холода, получаемого с 1 м2 излучающей
поверхности радиатора за месяц и за год.
 Чем холоднее климат города, тем выше потенциал использования
эффективного излучения для охлаждения как в летнее, так и в зимнее
время. Наихудшие условия для охлаждения наблюдаются в городе
Алматы, а наилучшие условия в Омске.
 В городах, расположенных на широте 55° и выше, эффективное излечение
можно использовать в системах кондиционирования для поддержания
требуемой температуры в течение 75…90 % времени летнего периода.
16
 Количество холода, получаемое за зимний период при температуре
излучающей поверхности 𝑡ип = 0℃ превосходит количество холода,
получаемое за летний период при 𝑡ип = 20℃.
 Следовательно, в рассматриваемых городах холодильная система,
использующая эффективное излучение, в системах промышленного
охлаждения может работать более эффективно, чем в системах
кондиционирования. Однако данные системы при температуре
излучающей поверхности ниже -10 °C производят сравнительно малое
количество холода.
 В летнее время за счет эффективного излучения может быть получена
температура хладоносителя не ниже 15…20 °C, в зимнее время не ниже
-10 °C.
Полученные данные могут быть использованы при проектировании
систем охлаждения рассматриваемого типа, а также при проектировании
обычных холодильных машин, использующих естественное охлаждение
(Free cooling).
В дальнейшем авторы планируют получить боле точные результаты на
основе учета необратимых потерь, возможных влияний многолетних циклов
климатических параметров, посуточной продолжительности ночи, а также
почасового перепада температур излучающей поверхности и ночного неба.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Бараненко А.В., Ховалыг Д.М., Цой А.П., Синицина К.М.
Энергоэффективность и экологическая безопасность техники низких
температур // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная
техника и кондиционирование». 2014. № 1.
Бараненко А.В. и др. Холодильные машины. СПб.: Политехника, 2006.
944 с.
Цой А.П., Бараненко А.В., Эглит А.Я. Использование эффективного
излучения в холодильной системе открытого ледяного катка // Вестник
МАХ. 2012. № 4. С. 8–11.
Цой А.П., Грановский А.С., Цой Д.А. Применение холодильных систем,
использующих эффективное излучение в космическое пространство в
кондиционировании // Известия научно-технического общества
“Кахак”. 2013. № 3 (42). С. 77–82.
Цой А.П., Грановский А.С., Бараненко А.В. Моделирование и
математическая программа для расчета величины эффективного
излучения // Вестник МАХ. 2014. № 1. С. 7–10.
Цой А.П., Грановский А.С., Бараненко А.В., Эглит А.Я. Расчет
величины эффективной холодопроизводительности холодильной
системы, использующей охлаждающий эффект небосвода // Вестник
МАХ. 2014. № 3. С. 35–40.
17
Зайцев А.В. Энергосберегающие технологии современной техники
бытового и жилищно-коммунального назначения // Техникотехнологические проблемы сервиса. 2010. № 3 (13). С. 46–51.
8.
Samuel D.G.L., Nagendra S.M.S., Maiya M.P. Passive alternatives to
mechanical air conditioning of building: A review // Build. Environ. Elsevier
Ltd, 2013. Vol. 66. P. 54–64.
9.
Кондратьев К.Я. Актинометрия. Ленинград: Гидрометеорологическое
издательство, 1965. 693 с.
10. Potentials of night sky radiation to save water and energy in the state of New
Mexico [Text] : report / Governor Richardson’s water innovation fund; Mark
Chalom, Bristol Stickney, Kate Snider. New Mexico, 2006. 100 p. PSC #05341-1000-0035.
11. Hollick J. Nocturnal Radiation Cooling Tests // Energy Procedia. Elsevier
B.V. 2012. Vol. 30. P. 930–936.
12. Sima J. et al. Theoretical Evaluation of Night Sky Cooling in the Czech
Republic // Energy Procedia. Elsevier B.V. 2014. Vol. 48. P. 645–653.
13. Zhang S., Niu J. Cooling performance of nocturnal radiative cooling
combined with microencapsulated phase change material (MPCM) slurry
storage // Energy Build. Elsevier B.V. 2012. Vol. 54. P. 122–130.
14. Vangtook P., Chirarattananon S. Application of radiant cooling as a passive
cooling option in hot humid climate // Build. Environ. 2007. Vol. 42, № 2. P.
543–556.
15. Golaka A.R.T., Exell R.H.B. Night radiative cooling and underground water
storage in a hot humid climate: a preliminary investigation // Proc. 2nd Reg.
Conf. Energy Technol. Towar. a Clean Environ. Phuket, 2003. Vol. 012. P.
10–16.
16. Ali A.H.H. Passive cooling of water at night in uninsulated open tank in hot
arid areas // Energy Convers. Manag. 2007. Vol. 48, № 1. P. 93–100.
17. Dobson R.T. Thermal modelling of a night sky radiation cooling system // J.
Energy South. Africa. 2005. Vol. 16, № 2. P. 20–31.
18. Etzion Y., Erell E. Thermal storage mass in radiative cooling systems //
Build. Environ. 1991. Vol. 26, № 4. P. 389–394.
19. Degnes-Ødemark H. A study of night sky radiation, and heating and cooling
of buildings with thermal solar collectors [Text] : Master thesis
– Oslo: University of Oslo, Department of Physics, 2009.
– https://www.duo.uio.no
20. Погода и климат [Электронный ресурс] – Архив данных о погоде
по городам
мира
–
Электрон.
дан.
–
Режим
доступа:
http://www.pogodaiklimat.ru/.
21. Расписание погоды rp5 [Электронный ресурс] – Архив погоды по
городам мира – Электрон. дан. – Режим доступа: http://rp5.kz.
22. Восход Солнца [Электронный ресурс] – Онлайн калькулятор
продолжительности суток – Электрон. дан. – Режим доступа:
http://voshod-solnca.ru/.
7.
18
23. Часовые пояса России TimeZone [Электронный ресурс] –
24.
25.
26.
Онлайн
калькулятор времени восхода и заката Солнца – Электрон. дан.
– Режим доступа: http://www.timezone.ru/suncalc.php.
Атмосфера : справочник / под ред. Седунова Ю.С. Ленинград:
Гидрометеоиздат, 1991. 23. Гранев В.В., Гиндоян А.Г., Авдеев К.В. О
температурных воздействиях на ограждающие конструкции зданий
холодильников // Промышленное и гражданское строительство. 2009. №
11. С. 43–46.
СНиП 23-01-99. Строительная климотология. – Введ. 2000-01-01. – М. :
Изд-во стандартов, 2001.
Гранев В.В., Гиндоян А.Г., Авдеев К.В. О температурных воздействиях
на ограждающие конструкции зданий холодильников // Промышленное
и гражданское строительство. 2009. № 11, С. 43–46.
19