Научные основы проектирования энергоэффективных подземных холодильников криолитозоны Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

--------------------------------- © А.С. Курилко, Ю.А. Хохолов,

Е.К. Романова, 2009

УДК 624.14:536.24

А.С. Курилко, Ю.А. Хохолов, Е.К. Романова

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ КРИОЛИТОЗОНЫ

Мировой энергетический кризис 70-х годов привел, в частности, к появлению нового научно-экспериментального направления в строительстве, связанного с понятием «здание с эффективным использованием энергии». Цель строительства в рамках нового направления заключается в выявлении суммарного эффекта энергосбережения от использования архитектурных и инженерных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов [1]. Проблема повышения энергетической эффективности также актуальна при эксплуатации шахт, рудников и подземных сооружений различного назначения на Севере.

Одной из энергосберегающих технологий для тепло- и холодо-снабжения является аккумулирование тепловой энергии в подземных пластах. Учитывая особенности климата и актуальность вопросов энергосбережения, технология подземного аккумулирования тепловой энергии может представлять интерес и найти возможное применение в большом числе российских регионов, зимой имеется в изобилии природный холод, тогда как летом в наличии "бесплатное" тепло. В зоне вечной мерзлоты особенно актуальна проблема использования естественного холода. На значительной части этих территорий продолжительная зима с низкими температурами воздуха и широкое распространение многолетнемерзлых грунтов создают возможность аккумулировать значительный запас естественного холода.

Характерными примерами использования аккумулированного естественного холода являются подземные холодильники. Основное преимущество подземных холодильников перед наземными состоит в том, что в окружающих холодильник грунтах может быть создан «запас холода» за счет большой их теплоемкости. Источником холода при этом может служить наружный холодный воздух,

пропускаемый по камерам зимой. Высокая аккумулирующая способность вмещающих горных пород обеспечивает повышенную надежность подземного холодильника, позволяющую длительное время сохранять требуемые температурные режимы в камерах в случае отключения холодильных машин. Отдельные из вышеназванных преимуществ особенно ярко проявляются в условиях криолитозоны.

Подземные холодильники криолитозоны предназначены для хранения охлажденного и замороженного продовольствия (мясо, рыба и пр.) в летний период и работают в двух режимах - «Хладо-зарядка» и «Эксплуатация». В режиме «Хладозарядка» в зимнее время холодильники открывают и промораживают атмосферным холодом. В целях повышения эффективности естественную хладо-зарядку проводят путем принудительной вентиляции. На режим «Эксплуатация» подземный холодильник переводится в теплое время года, когда в нем хранится замороженное продовольствие. В период эксплуатации для обеспечения требуемых температурных условий хранения продовольствия используются холодильные установки.

С точки зрения современной науки, задача проектирования энергоэффективных подземных холодильников относится к задачам системного анализа. Целью поставленной задачи является поиск оптимальных технических решений по климатизации камеры подземного холодильника, т.е по поддержании необходимого температурно-влажностного режима в целях обеспечения сохранности продуктов:

- определение глубины заложения и размеров холодильной камеры с учетом климатических особенностей местности;

- выбор режима зимней вентиляции;

- выбор мощности холодильной установки.

Решение задачи в соответствии с принципами системного анализа проводится поэтапно:

- построение математической модели теплообменных процессов в камере подземного холодильника;

- выбор целевой функции, т.е. определение ограничивающих условий и формулирование оптимизационной задачи - снижение затрат энергии на климатизацию в годовом цикле;

- решение поставленной оптимизационной задачи.

Рис. 1. Структура камеры подземного холодильника - как единой теплоэнергетической системы

Математическая модель.

Поставленную задачу решим, рассматривая камеру подземного холодильника - как единую теплоэнергетическую систему. Декомпозиция данной теплоэнергетической системы может быть представлена пятью энергетически взаимосвязанными подсистемами (рис. і):

- теплоэнергией внутри камеры;

- теплоэнергетическим воздействием наружного атмосферного воздуха на окружающий горный массив и непосредственно на камеру во время вентиляции;

- теплоэнергией, накопленной в горном массиве, вмещающем камеру;

- теплоэнергией, выработанной искусственным путем холодильными установками;

- теплоэнергией, накопленной в хранящемся продукте.

В лаборатории горной теплофизики ИГДС разработана трехмерная математическая модель теплообменных процессов в подземных сооружениях криолитозоны, учитывающая природноклиматические (динамика изменения температуры атмосферного воздуха, толщины снега, скорости ветра), конструктивные (геометрические размеры и глубина заложения выработок, угол откоса склона) и технологические условия эксплуатации (дата начала,

продолжительность и интенсивность вентиляции, дата загрузки и объем продукта).

Процесс распространения тепла в массиве горных пород описывается с помощью нестационарного уравнения теплопроводности с учетом фазовых переходов влаги, а процесс распространения тепла в продукте - нестационарным уравнением теплопроводности с учетом теплоемкости продукта. При моделировании теплопере-носа внутри камере составляется уравнение сохранения энергии. Система уравнений дополняется начальными и граничными условиями, описывающими теплообмен на дневной поверхности и поверхностях, ограничивающих камеру.

Математическая модель теплообмена в камере подземного сооружения реализована численными методами конечных разностей. Применена локально-одномерная схема с использованием методики Самарского-Моисеенко [2].

Разработанная математическая модель позволяет провести долгосрочный прогноз температурного режима камеры подземного холодильника в зависимости от ее геометрических размеров и глубины заложения, от теплофизических свойств вмещающих пород, от режима загрузки продовольствия (теплофизических свойств, объема, плотности укладки продовольствия, даты загрузки), от режима зимней хладозрядки (даты начала и продолжительности вентиляции, расхода воздуха).

Целевая функция.

Оптимизационная задача для энергоэффективного подземного холодильника имеет следующее содержание: определить показатели параметров регулирования температурного режима камеры, обеспечивающих минимизацию эксплуатационных энергозатрат (Яжсп) на создание микроклимата в камерах подземного холодильника. В обобщенном математическом виде целевую функцию для энергоэффективного здания можно записать так: минимизировать Zэксп(a1, a2, ..., ап), (1)

где а7 - 7-й параметр; п - количество параметров, выбранных для регулирования температурного режима камеры.

В качестве параметров регулирования температурного режима камеры можно выбирать следующие:

- параметры зимней хладозарядки (время начала, продолжительность, интенсивность);

- параметры летней эксплуатации (время, объем загрузки продукта);

Рис. 2. Зависимость годовых энергозатрат от параметров зимней хладозаряд-ки (третий год эксплуатации), когда хладозарядка проводится в самые холодные месяцы зимы

- геометрические размеры камеры;

- глубина заложения камеры.

Эксплуатационные энергозатраты на поддержание необходимой температуры в камерах (2эксп) складываются из энергозатрат на зимнюю хладозарядку естественным холодом (2вент) и энергозатрат на выработку искусственного холода холодильными установками летом (Ххоп):

^эксп ^вент+^хол , кВт*час. (2)

Решение оптимизационной задачи.

Проведенный анализ показал, что целевая функция энергозатрат на поддержание требуемой температуры камер подземного холодильника зависит от геометрических размеров и глубины заложения, параметров зимней хладозарядки (дата начала, продолжительность и интенсивность вентиляции), даты загрузки и объема продукта и может иметь множество локальных минимумов. Например, на рис. 2 представлен график изменения годовых энергозатрат в зависимости от продолжительности и интенсивности хладо-

(

■ 130-140

120-130

■ 110-120 ■ 100-110

*Г1

О

■ 90-100

■ 80-90

■ 70-80

■ 60-70

■ 50-60

Сш

■и

I

(Т|

зарядки. Из рисунка видно, что, управляя режимом зимней хладо-зарядки, можно достичь Оптимальные параметры зимней хладозарядки и даты загрузки продукта

Оптимальные параметры Результаты оптимизации

№ года Расход воздуха м3/с Начало хладоза- рядки Продол-житель-ность, сутки Дата загрузки продукта ^вент, кВт^ч ^холод, кВт^ч ^экспл, кВт^ч

1 14,47 13 декабря 103 27марта 7037 б8б87 75724

2 13,18 8 ноября 117 6 марта б043 б1451 б7494

3 12,83 13 ноября 114 8 марта 5429 49889 55318

4 12,б0 8 ноября 114 3 марта 5137 43022 48159

5 12,25 11 ноября 115 7 марта 47б0 38084 42844

б 12,01 13 ноября 11б 10 марта 4531 34723 39254

7 11,89 10 ноября 117 8 марта 4438 32097 Зб5З5

8 11,89 6 ноября 114 1 марта 4324 30502 3482б

минимума энергозатрат на поддержание необходимой температуры в камере подземного холодильника.

В качестве метода решения данной многопараметрической оптимизационной задачи был выбран генетический алгоритм, предназначенной для поиска оптимальных решений в случаях, когда не применимы традиционные методы оптимизации, например, пространство поиска большое, целевая функция не гладкая и мультимодальная [3].

Методика выбора оптимальных параметров регулирования температурного режима камеры подземного холодильника реализована в виде программного комплекса. Программный комплекс разработан в среде программирования Visual C++6, работает в удобном диалоговом режиме.

В качестве примера в таблице приведены рассчитанные по методике оптимальные параметры зимней хладозарядки и дата загрузки продукта на хранение для холодильной камеры шириной 8,6 м, высотой 3,6 м, длиной 45 м, расположенной на глубине 20 м.

Как видно из таблицы, при оптимальном регулировании температурного режима камеры подземного холодильника интенсивность зимней вентиляции с каждым годом уменьшается, начало и продолжительность вентиляции колеблются в пределах нескольких суток, загрузка продукта в холодильник производится сразу после

окончания хладозарядки. Из-за прогрессирующего накопления холода с каждым годом сокращается зимний расход воздуха, соответственно уменьшились затраты на вентиляцию с 7037 до 4324 кВт-ч за 8 лет. Энергозатраты на выработку искусственного холода и общие энергозатраты сократились за это время более чем в 2 раза.

Авторами разработана научно обоснованная методика выбора оптимальных параметров регулирования температурного режима, позволяющая повысить энергетическую эффективность эксплуатации подземных сооружений в условиях Севера (на примере подземных холодильников).

Данная методика позволяет:

- на стадии проектирования выбрать оптимальные конструктивные параметры подземных сооружений с заданными температурными условиями эксплуатации;

- в период эксплуатации выбрать оптимальные сроки и скорости вентиляции при зимней хладозарядке, оптимальные сроки загрузки продуктов на летнее хранение.

----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Табунщиков, Ю.А. Энергоэффективные здания [Текст] / Ю.А. Табунщиков, М.М. Бродач, Н.В. Шилкин. - М: АВОК ПРЕСС, 2003. - 200 с.

2. Самарский, А.А. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана [Текст] / А.А. Самарский, Б.Д. Моисеенко // Журнал вычислительной математики и математической физики. - 1965. - Т. 5. - № 5. - С. 816- 827.

3. Хэзфилд, Р. Искусство программирования на С. Фундаментальные алгоритмы, структуры данных и примеры приложений [Текст] / Р. Хэзфилд, Л. Кирби. - К.: ДиаСофт, 2001. - 736 с. ЕШ

— Коротко об авторах ---------------------------------------------

Курилко А. С. - доктор технических наук, ст. научный сотрудник, Хохолов Ю.А. - доктор технических наук, ст. научный сотрудник, Романова Е.К. - кандидат технических наук, мл. научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН, г. Якутск. E-mail: helconst@mail.ru