Альтернативные способы получения холода УДК 621.565.83 Влияние климата на работу холодильной системы, использующей эффективное излучение в космическое пространство Канд. техн. наук А.П. ЦОЙ, [email protected], А.С. ГРАНОВСКИЙ, Д.А. ЦОЙ, Алматинский технологический университет, д-р техн. наук А.В. БАРАНЕНКО, [email protected], Университет ИТМО, С.-Петербург По двум различным методикам проведен расчет теоретической холодопроизводительности идеальной холодильной системы, использующей эффективное излучение в космическое пространство. Расчеты проведены для городов, расположенных от 43° до 59° северной широты: Алматы, Владивостока, УстьКаменогорска, Петропавловска, Омска, Казани, Москвы и Санкт-Петербурга. Представлены графики суммарного количества холода, получаемого за год и за отдельные месяцы, в зависимости от температуры излучающей поверхности. Установлено, что наибольшее количество холода за год может быть произведено в климатических условиях Омска, а наименьшее – Алматы. Предложен способ оценки количества теплоты, отводимого от радиатора за счет конвективного теплообмена (на основе градусо-часов охлаждения). Представлены результаты расчета градусо-часов охлаждения за год для всех перечисленных городов. Приводятся графики, показывающие, какое количество часов в году температура воздуха в каждом из городов держится ниже заданной для охлаждения. 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. 36 CLIMATE INFLUENCE ON THE OPERATION OF REFRIGERATION SYSTEM USING THE EFFECTIVE RADIATION INTO SPACE Ph. D. A.P.TSOY, [email protected], A.S. GRANOVSKY, D.A. TSOY Almaty Technological Universuty; Doctor of Science A.V. BARANENKO, [email protected] ITMO University 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. 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 cooling degree-hours 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, it is impossible to use the effective radiation for stable cooling to a temperature below –10 °C in all reviewed cities. The data obtained can be used in the design of cooling systems of the considered type, as well as in the standard refrigeration systems that use natural cooling (Free cooling). Keywords: effective radiation, nocturnal radiative cooling, refrigeration, alternative methods of cooling, climate. № 12/2014 В настоящее время одним из основных трендов развития холодильной техники, как и другого энергопотребляющего оборудования, является повышение ее энергетической эффективности и экологической безопасности [2, 3]. К одной из энергосберегающих технологий относится охлаждение при помощи эффективного излучения в космическое пространство*. При излучении объектом (поверхностью) инфракрасных волн в направлении ночного неба часть всего излучения проходит через слой атмосферы и безвозвратно уходит в космическое пространство, в результате чего 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 [7]. 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. Охлаждение за счет эффективного излучения привлекательно тем, что позволяет сократить использование энергии, потребляемой холодильными системами, а также дает возможность отказаться от применения хладагентов [8], которые могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду [4]. Интенсивность такого охлаждения зависит от климатических условий: применение охлаждения за счет эффективного излучения наиболее оправдано в регионах с засушливым климатом [18], так как в таком климате в атмосфере наименьшее содержание водяного пара, который является одним из основных веществ, препятствующих прохождению инфракрасного излучения в космическое пространство [5]. Множество работ было проведено для определения возможностей использования эффективного излучения в различных климатических условиях. Известны исследования, выполненные в США [17], Канаде [16], Чехии [19], Китае [20], Таиланде [15, 21], Египте [11], ЮАР [13], Израиле [14], Норвегии [12] и других странах. Однако возможности применения этой технологии охлаждения на территории Казахстана и России оставались 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 решить задачи, характерные для этих климатических условий. Во-первых, во всех перечисленных выше 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 охлаждения воздуха в зданиях не требуется. При этом низкие температуры окружающей среды дают возможность получить достаточно низкие температуры в холодильных системах, применяющих эффективное излучение. Поэтому следует рассмотреть возможность их использования в промышленном холоде для получения температур, близких к 0 °C. Во-вторых, важно определить величину охлаждающего эффекта для температур охлаждаемого объекта до –30 °C (ранее исследования проводили лишь для температур в диапазоне 20…25 °C). В-третьих, необходимо определить, какое время 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, – это эффективность, холодопроизводительность и температура 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 которой отсутствуют теплопритоки к хладоносителю от окружающей среды в трубопроводах и в аккумуляторе холода. Площадь поверхности радиатора равна 1 м2; относительная излучательная способность поверхности радиатора в инфракрасном диапазоне δип = 1; тем- пература 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 поглощенного 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 Еэф (Вт) будем использовать две методики: разработанную авторами статьи [9, 10] и предложенную в [18]. По первой методике: (1) Еэф = δип(σTв4kвп kоб + kст), где σ – постоянная Стефана-Больцмана, σ = 5,67·10–8 Вт/(м2·K4); * Общеупотребительный английский термин – nocturnal radiative cooling (охлаждение при радиационном теплообмене в ночное время). № 12/2014 37 Альтернативные способы получения холода Tв – температура воздуха; kвп – коэффициент, учитывающий влияние содержания водяного пара в воздухе приземного слоя атмосферы; kоб – коэффициент, учитывающий влияние облачности; kст – поправка на разность температур излучающей поверхности и воздуха, Вт. (2) kвп = 0,264 – 0,0052(Tро – 273,15), где Tро – температура точки росы воздуха, К. (3) kоб = 1 – cR12, где c – коэффициент, показывающий как изменяется влияние облачности на величину эффективного излучения в зависимости от географической широты местности, для которой производятся расчеты; R1 – общая степень облачности в долях от единицы, 0 ≤ R1 ≤ 1; kст = σ(Tип4 – Tв4), (4) где Tип – температура излучающей поверхности радиатора, К. Согласно второй методике (5) Еэф = δипσ(Tип4 – Tн4), где Tн – температура ночного неба, К. Для расчета условной температуры неба Tн используется формула (6) Tн = Tв(δн + CFal)0,25 CFcl0,25, где δн – относительная излучательная способность безоблачного ночного неба; CFal – коэффициент, учитывающий высоту расположения излучающей поверхности над уровнем моря (при подъеме на большую высоту уменьшается толщина атмосферы и увеличивается величина потока эффективного излучения); CFcl = 1 + 0,0224R2 – 0,0035R22 + 0,00028R23, (7) где R2 – степень облачности ночного неба, баллы, для безоблачного неба R2 = 0, а для полностью закрытого облаками неба R2 = 10. (8) CFal = 0,12(рат – 1), где рат – атмосферное давление, бар; (9) δн = 0,787 + 0,764 log(Tро/273). Общее количество холода, которое может быть произведено идеальной холодильной системой за одну ночь, определим по формуле (10) Qн = 3600Еэфτн, где τн – продолжительность ночи, равная времени между закатом и восходом солнца, ч. В реальной системе охлаждения количество холода, произведенного за ночь путем радиационного теплообмена, будет несколько меньше рассчитанного по формуле (10) и в значительной мере будет определяться конструктивными особенностями всех элементов системы охлаждения. Рассчитанное же значение 38 показывает максимальное теоретически возможное количество холода, получаемого с 1 м2 излучающей поверхности радиатора за одну ночь исключительно путем 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 [22, 23], поскольку приводимые в литературе по климатологии среднемесячные значения необходимых параметров [1, 6] не дают возможности точно определять средненочное значение потока эффективного излучения. Продолжительность ночей может быть определена при помощи ресурсов [24, 25], данные об изменении атмосферного давления в зависимости от высоты над уровнем моря приведены в [1, 6]. Для каждого города были выбраны необходимые данные за 1 год. Затем, подставляя в формулы для расчета потока эффективного излучения (1), (5) значения температур воздуха, точки росы и излучающей поверхности, а также степени облачности и атмосферного давления, рассчитали средненочные значения потока эффективного излучения. Далее по формуле (10) на основе данных о продолжительности ночи определили количество холода, получаемое за ночь. Аналогичные вычисления провели для каждой ночи рассматриваемого периода. Просуммировав данные о количестве холода за каждую из ночей, получили суммарное количество холода за месяц и за год (при этом в расчет брали только те дни, когда охлаждающий эффект был положительным). Результаты и их обсуждение Были обработаны климатические данные для городов: Алматы (43° с.ш.), Владивосток (43° с.ш.), УстьКаменогорск (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 табл. 1 представлены данные о продолжительности ночей, а в табл. 2 – среднемесячные и среднегодовые температуры ночного воздуха для этих городов. Результат расчета температуры ночного неба представлен в табл. 3. Наименьшие температуры ночного неба наблюдаются в Омске, наибольшие – в Алматы. Сравним результаты расчетов температуры ночного неба с данными других работ. Годовой ход температур ночного неба в Омске сопоставим с наблюдаемым в Урумчи [20], однако в летние месяцы температура ночного неба в Омске в среднем на 5 °C ниже, чем в Урумчи. Во всех рассмотренных нами городах летние температуры ночного неба равны или ниже на№ 12/2014 Таблица 1 Продолжительность ночей Суммарная за год, ч Среднемесячная продолжительность ночи, мин Город 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 895 842 767 676 593 530 521 569 649 732 821 884 Владивосток 897 845 770 678 595 532 521 567 647 734 821 885 4246 Усть-Каменогорск 950 900 782 666 559 476 462 525 629 740 852 935 4238 Омск 1003 915 796 656 526 422 403 485 652 745 880 1005 4244 Петропавловск 1002 915 796 657 527 423 405 486 613 745 880 983 4216 Казань 854 921 798 651 519 411 392 477 609 746 885 993 4128 Москва 1012 921 796 832 654 410 393 479 610 747 886 993 4210 Санкт-Петербург 1075 959 812 644 483 347 321 432 591 751 916 1049 4190 Алматы 4240 Таблица 2 Среднемесячные и среднегодовые температуры ночного воздуха 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Среднегодовая, о С Среднемесячная температура ночного воздуха, °C Алматы –11,6 –6,0 9,0 12,5 20,7 24,3 25,4 25,1 18,7 10,3 3,6 –2,8 10,8 Владивосток –17,1 –12,1 –3,9 1,8 8,9 14,3 19,9 19,6 13,2 6,4 –1,1 –11,3 3,2 Усть-Каменогорск –9,7 –12,5 –0,3 7,9 11,6 17,0 19,6 17,7 10,7 5,4 –0,2 –5,4 5,2 Омск –18,1 –12,6 –7,5 5,9 13,6 17,4 15,5 15,2 9,3 –0,4 –5,4 –16,0 1,4 Петропавловск –17,1 –13,5 –8,2 4,0 8,7 16,4 18,3 15,8 9,1 2,0 0,2 –9,3 2,2 Казань –11,1 –7,6 –7,8 5,0 14,0 20,0 20,3 19,5 11,5 4,5 2,3 –4,6 5,5 Москва –7,4 –12,6 –6,9 2,9 13,0 18,1 17,7 17,2 10,9 6,6 –0,4 –9,1 4,2 Санкт-Петербург –5,8 –3,9 –7,8 2,9 13,0 18,1 17,7 17,2 10,9 6,6 –0,4 –2,9 5,5 Город Таблица 3 Температура ночного неба 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Среднегодовая, оС Среднемесячная температура ночного неба, °C Город Алматы –25,0 –18,9 –4,0 –1,1 7,9 10,7 12,3 10,8 4,4 –1,9 –9,3 –14,6 –2,4 Владивосток –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 Усть-Каменогорск –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 Омск –29,4 –22,5 –18,3 –4,4 2,1 6,0 4,8 4,3 –3,3 –11,3 –16,0 –26,9 –9,6 Петропавловск –28,3 –24,9 –19,2 –6,4 –2,8 4,1 8,1 6,0 –1,5 –8,0 –9,6 –19,7 –8,5 Казань –20,8 –18,3 –18,7 –6,2 1,8 8,3 8,5 8,6 3,0 –4,6 –7,0 –13,5 –4,9 Москва –17,0 –22,1 –19,5 –8,3 2,0 7,2 6,9 6,2 0,5 –3,6 –10,7 –18,4 –6,4 Санкт-Петербург –15,0 –12,7 –20,8 –8,3 2,0 7,2 6,9 6,2 0,5 –3,6 –10,7 –13,7 –5,2 блюдаемых в Урумчи или Ланьчжоу. Однако зимние температуры в Урумчи (около –30 °C) значительно ниже, чем в Москве, Казани, Санкт-Петербурге и Усть-Каменогорске. Возможно, это вызвано тем, что климат в Урумчи значительно более засушливый. № 12/2014 Результаты расчета суммарного годового количества холода Qг, полученного за 1 год с 1 м2 излучающей поверхности в зависимости от температуры этой поверхности tип и среднегодовой температуры неба tн, приведены на рис. 1. 39 Альтернативные способы получения холода Рис. 1. Количество холода, полученного за 1 год с 1 м2 излучающей поверхности в зависимости от среднегодовой температуры ночного неба и температуры излучающей поверхности в городах: а – по методике авторов; б – по методике [18]; 1 – Омск; 2 – Петропавловск; 3 – Владивосток; 4 – Москва; 5 – Усть-Каменогорск; 6 – Санкт-Петербург; 7 – Казань; 8 – Алматы Рис. 2. Расхождение результатов расчетов произведенного за год холода по методике авторов и методике [18] в зависимости от температуры излучающей поверхности: 1 – Владивосток; 2 – Омск; 3 – Усть-Каменогорск; 4 – Петропавловск; 5 – Алматы; 6 – Казань; 7 – Москва; 8 – Санкт-Петербург 40 Расчеты количества холода за 1 год по обеим методикам дают сопоставимые результаты. При этом все результаты расчета по методике авторов статьи немного выше результатов расчета по методике [18]. Разница между результатами расчетов по двум методикам представлена на рис. 2. Наибольшие расхождения получены для 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. Как видно из рис. 1, наибольшее количество холода за год может быть получено в Омске и Петропавловске, наименьшее – в Алматы. Разница между количеством холода, полученным за 1 год с 1 м2 излучающей поверхности в Омске и Алматы, составляет: 45 МДж при tип = –30 оС, 588,8 МДж при tип = +20 оС, 528 МДж при tип = +100 оС. Рисунок 1 дает суммарную годовую картину полученного холода по городам, не отображая значи№ 12/2014 поверхности в различных городах по месяцам, при двух температурах излучающей поверхности 20 и 0 оС. Из диаграмм видно, что в летние месяцы в Алматы общее количество холода, полученного с 1 м2 радиатора, составляет только половину от этого значения для Омска. Наилучшие показатели во все периоды года наблюдаются во Владивостоке, в Рис. 3. Общее количество холода за месяц в различных городах: Петропавловске а – tип = 20 оС; б – tип = 0 оС; порядок столбиков по городам одинаков во всех месяцах (слева и Омске. направо): Алматы, Владивосток, Казань, Москва, Омск, Петропавловск, С.-Петербург, Суммарное коУсть-Каменогорск личество холода тельную разницу в величине Q в различных городах за зимние месяцы при температуре излучающей поверхности t ип = 0 оС в среднем почти в 2 раза в отдельные сезоны и месяцы года. В качестве примера на рис. 3 приведено коли- больше суммы холода за летние месяцы при tип = чество холода, получаемого с 1 м 2 излучающей = 20 оС. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Атмосфера: справочник / под ред. Седунова Ю.С. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991. 23. 2. 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. 3. Бараненко А.В. и др. Холодильные машины. – СПб.: Политехника, 2006. 4. Зайцев А.В. Энергосберегающие технологии современной техники бытового и жилищно-коммунального назначения // Технико-технологические проблемы сервиса. 2010. № 3 (13). 5. Кондратьев К.Я. Актинометрия. Ленинград: Гидрометеорологическое изд-во, 1965. 6. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. – Введ. 200001-01. – М. : Изд-во стандартов, 2001. 7. Цой А.П., Бараненко А.В., Эглит А.Я. Использование эффективного излучения в холодильной системе открытого ледяного катка // Вестник МАХ. 2012. № 4. 8. 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). 9. Цой А.П., Грановский А.С., Бараненко А.В. Моделирование и математическая программа для расчета величины эффективного излучения // Вестник МАХ. 2014. № 1. 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. 11. 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. 12. 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. 13. Dobson R.T. Thermal modelling of a night sky radiation cooling system // J. Energy South. Africa. 2005. Vol. 16, № 2. 14. Etzion Y., Erell E. Thermal storage mass in radiative cooling systems // Build. Environ. 1991. Vol. 26, № 4. 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. 16. Hollick J. Nocturnal Radiation Cooling Tests // Energy Procedia. Elsevier B.V. 2012. Vol. 30. 17. 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 #05-341-1000-0035. 18. 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. 19. Sima J. et al. Theoretical Evaluation of Night Sky Cooling in the Czech Republic // Energy Procedia. Elsevier B.V. 2014. Vol. 48. 20. 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. 21. Vangtook P., Chirarattananon S. Application of radiant cooling as a passive cooling option in hot humid climate // Build. Environ. 2007. Vol. 42, № 2. 22. Погода и климат [Электронный ресурс] – Архив данных о погоде по городам мира – Электрон. дан. – Режим доступа: http:// www.pogodaiklimat.ru/. 23. Расписание погоды rp5 [Электронный ресурс] – Архив погоды по городам мира – Электрон. дан. – Режим доступа: http://rp5.kz. 24. Восход Солнца [Электронный ресурс] – Онлайн калькулятор продолжительности суток – Электрон. дан. – Режим доступа: http://voshod-solnca.ru/. 25. Часовые пояса России TimeZone [Электронный ресурс] – Онлайн калькулятор времени восхода и заката Солнца – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.timezone.ru/suncalc.php. Продолжение следует. № 12/2014 41