CC BY
50
УДК 628.84
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ЛЬДА ДЛЯ ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ
А.С. Штым1, Е.В. Тарасова2, А.С. Кузьменко3
Дальневосточный федеральный университет, 690950, г. Владивосток, ул. Суханова, 8.
Приведены результаты экспериментальных исследований системы охлаждения помещений с использованием естественного льда. Исследования проводились на экспериментальной установке, созданной на кафедре инженерных систем зданий и сооружений Дальневосточного федерального университета в г. Владивостоке. Приведены: проектное решение экспериментальной системы охлаждения офисного помещения, алгоритм автоматизации работы данной системы, анализ экспериментальных данных. Определен тепловой баланс работы установки, изменение температурного поля внутри аккумулятора естественного холода. Проведенные исследования на экспериментальной научно-исследовательской установке с применением льда для холодоснабжения показали, что при сравнении с работой систем Split и MultiSplit данная установка, в среднем, потребляет в 3 раза меньше электроэнергии на единицу получаемого холода (режим охлаждения при таянии льда). Ил. 11. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: кондиционирование помещений; аккумуляция холода; лед; тепловой баланс; энергосбережение.
APPLICATION EXPERIENCE OF NATURAL ICE FOR COLD SUPPLY A.S. Shtym, E.V. Tarasova, A.S. Kuzmenko
Far Eastern Federal University, 8 Sukhanov St., Vladivostok, 690950.
The article deals with the results of experimental studies of the room cooling system with the use of natural ice. The studies were conducted on an experimental plant created at the Department of Engineering Systems of Buildings and Structures of the Far Eastern Federal University in Vladivostok. The article provides: a design of the experimental system for office cooling, an algorithm of system automation, and an analysis of experimental data. The authors determine the heat balance of the plant operation, changes of the temperature field inside the accumulator of natural cold. The studies carried out on the experimental research plant with the use of ice for cold supply showed that as compared with the operation of the systems Split and MultiSplit, this installation, on average, consumes three times less energy per unit of cooling (cooling mode under ice melting). 11 figures. 5 sources.
Key words: air-conditioning; accumulation of cold; ice; heat balance; energy-saving.
Применение экологически безопасных, неисчерпаемых и экономически выгодных источников энергии является актуальной проблемой сегодняшнего дня. С каждым годом всё больше внимания уделяется так называемой щадящей энергетике, построенной таким образом, чтобы сохранить и без того уже сильно повреждённую биосферу, а также рассматриваются альтернативные источники энергии, созданные самой природой. Актуальность темы, представленной в работе, подтверждается Федеральным законом № 261-Ф3 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», принятым 23 ноября 2009 года.
История применения естественных источников холода имеет многовековые традиции - мудрые китайцы использовали природный лёд за тысячу лет до
нашей эры. В США впервые на коммерческой основе начался сбор льда с поверхности озёр и рек зимой 1799 года. В течение XIX века в Европе и Америке было сконструировано несколько установок охлаждения воздуха с помощью естественного льда [1]. Французские инженеры Фердинанд Карре и его брат Эд-монд Карре разработали цикл работы абсорбционной машины для промышленного производства льда и запатентовали установку в 1860 году [2].
Конкуренция между натуральным и искусственным льдом продолжалась до Первой мировой войны. Затем, в 1930-е годы на рынке появились относительно компактные электрические холодильники. Их распространение привело к окончательному уходу производства льда в прошлое [1].
В марте 2008 года Дальневосточный государственный технический университет посетила делега-
1Штым Алла Сильвестровна, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерных систем зданий и сооружений, тел.: 891447920701, e-mail: shtym_alla@mail.ru
Shtym Alla, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Systems of Buildings and Structures, tel.: 891447920701, e-mail: shtym_alla@mail.ru
2Тарасова Елена Владимировна, аспирант, тел.: 89024866104, e-mail: lotos.t.e@mail.ru Tarasova Elena, Postgraduate, tel.: 89024866104, e-mail: lotos.te@mail.ru
3Кузьменко Алексей Сергеевич, аспирант, тел.: 89644330733, e-mail: merskitip@mail.ru Kuzmenko Aleksei, Postgraduate, tel.: 89644330733, e-mail: merskitip@mail.ru
ция японских ученых - специалистов из Института технологий города Муроран. Целью их приезда было налаживание дружеских отношений и обмен знаниями по использованию снега в качестве источника холодо-снабжения в тёплый период года.
Актуальной для заснеженного Владивостока стала лекция японского профессора Масаёсити Кобияма из Института технологий г. Муроран на тему «Нетрадиционные аспекты эффективного использования снежного покрова». Японские учёные поделились опытом сохранения снега, чтобы использовать его летом для охлаждения не только продуктов, но и помещений различного назначения. Самая низкая температура зимой в Японии на острове Хоккайдо опускается до -41,2°С, максимальный покров снега составляет до 2 метров, а в летние месяцы температура и влажность достаточно высоки и требуют больших затрат на охлаждение. Погода во Владивостоке почти такая же, как на Хоккайдо, только снегопадов меньше.
В Японии снег убирается и отвозится на специальные снежные свалки, где его скапливается около миллиона тонн. Снежный холм - это огромный потенциал энергии для жаркого лета [3].
Используются два способа сохранения снега до тёплого периода года:
- сохранение в специальных теплоизолированных боксах (рис.1,а);
- покрытие снежных гор теплоизоляционным материалом (рис. 1,6), например, дробленой корой, остающейся после переработки древесины, толщиной 300 мм.
Японцы используют снег на протяжении многих лет для хранения сельскохозяйственной продукции в летний период, а также для кондиционирования помещений различного назначения. Таким образом, по мнению японских специалистов, решается две задачи [3]:
- организованная уборка снега зимой;
- уменьшение энергопотребления летом до минимума (фактически энергия затрачивается только на привод насосов и вентиляторов).
Установки, использующие принцип аккумуляции холода на основе снега, разработанные и внедрённые в Японии, являются экономически оправданными и конкурентоспособными для целей создания комфорт-
ного микроклимата зданий и сооружений. Эти установки оказывают положительное воздействие на глобальную окружающую среду в качестве замены ископаемого топлива, так как 10 литров керосина эквивалентны 1 тонне снега с учётом затрат, что способствует рациональному использованию природных источников энергии и сокращению выбросов углекислого газа [3].
б)
Рис. 1. Способы сохранения снега в Японии
Для охлаждения таких больших сооружений, как международный аэропорт г. Саппоро (рис. 2), отель «Винзор» (остров Хоккайдо), где в 2008 году прошёл саммит «большой восьмёрки», снег был собран зимой и складирован в холодохранилище, а летом за счёт снега осуществлялось кондиционирование помещений.
Но не только снег может быть использован в качестве источника холода. Лёд, полученный путём естественного замерзания зимой, также может быть использован для охлаждения помещений. Плотность льда в 2-4 раза больше чем у снега, поэтому объём
холодохранилища будет в 2-4 раза меньше.
Применение установок с использованием снега и льда возможно, если температура наружного воздуха в холодный период года ниже 0оС, а в тёплый период года требуется охлаждение воздуха внутри помещения. Практически на всей территории России системы аккумуляции холода на основе снега и льда для создания микроклимата зданий в тёплый период года могут найти применение, так как согласно расчётам это экономически эффективно.
Для исследования процессов, происходящих со льдом и снегом в установках холодоснабжения помещений, были созданы экспериментальные научно-исследовательские установки. В качестве хладагента используется воздух или вода. Установки находятся в лаборатории «Энергосбережения» кафедры теплога-зоснабжения ДВФУ, в г. Владивостоке.
Разработана, запатентована и реализована опытно-промышленная установка холодоснабжения, в которой в качестве источника холода используется пресный лёд. Эта установка обеспечивает требуемые параметры микроклимата офисного помещения в тёплый период года (рис. 3) [4]. Вода замораживается в пластиковых бутылках объёмом 5 л в зимнее время (февраль) и сохраняется до лета (рис. 4). Использование пластиковых бутылок является многократным, что является преимуществом в экологическом аспекте. Размеры холодохранилища - 3000x1100x1500 (И). Количество аккумулированного льда - 2430 кг.
Нагретый воздух забирается из помещения 1 через вытяжные воздухораспределители 3 и по вытяжному воздуховоду 5 поступает в контейнер-льдохранилище 6, внутри которого находятся пластиковые бутылки, заполненные пресным льдом (общее
количество бутылок - 500 шт.). Воздух из помещения, проходя по каналам льдохранилища, организованным из бутылок, охлаждается и по приточному воздуховоду 4 через приточные воздухораспределители 2 поступает в охлаждаемое помещение. Вентиляционная установка состоит из обратного клапана 8, кассетного фильтра 9, канального вентилятора 10 и шумоглушителя 11. Режим работы установки - по необходимости, в рабочее время [4].
Холодохранилище было герметично закрыто крышкой в середине февраля. Данные с экспериментально-опытной установки снимались с 15.04.2010 г. до того момента, когда температура внутри холодо-хранилища достигла 20оС - 28.07.2010 г. Экспериментальные данные были обработаны и проанализированы. Был составлен тепловой баланс работы установки (рис. 5).
Установка проработала, охлаждая помещение, 14 дней. Максимальная мощность системы охлаждения составила 3,3 кВт, расход воздуха был постоянным -750 м3/ч.
Для повышения эффективности использования потенциала аккумулятора холода разработана автоматизация установки на базе контроллеров КОНТАР. На основании плана эксперимента и технического задания был выполнен проект автоматизации системы кондиционирования офиса учебного центра деревообработки, который реализован в техническо-программном комплексе КОНТАР (рис. 6) [5].
Так как установка является экспериментальной, то в системе автоматизации заложена совместная работа как для целей экспериментов, так и для целей поддержания комфортных условий в охлаждаемом помещении. Вместе с планами проводимых экспериментов были учтены особенности работы персонала и учащихся, являющихся потенциальными потребителями холода (рис. 7), а именно:
- недельный график пребывания персонала;
- время использования помещения;
- исключение возможности работы в ночное время.
Рис. 6. Структурная схема алгоритма проекта
Помимо заложенного графика работы система может сама определить момент начала работы при повышении температурного и влажностного режимов в помещении, при этом контроль диспетчера над работой установки в процессе эксплуатации практически не требуется. Комфортные условия ^=25°С, W=60-70%) для кондиционируемого помещения определены на основании первичных замеров воздуха и рекомендаций персонала и учащихся, также учтено расположение датчиков внутри помещения. Схема расположения датчиков температуры и влажности приведена на рис. 8. Дальнейшее использование автоматизации в холодохранилищах такого типа позволит оптимизи-
ровать работу и получить более высокие значения показателей, определяющих эффективность работы установок.
На основе полученных данных был проведен анализ работы экспериментальной установки.
На рис. 9 приведена динамика температуры на дне холодохранилища и температуры наружного воздуха с течением времени. Цифрой 1 обозначен основной период охлаждения помещения преимущественно за счёт таянья льда, цифрой 2 - период охлаждения помещения преимущественно за счёт использования холода талой воды.
В режиме хранения льда температура в нижней
зоне контейнера не изменялась и находилась в диапазоне 1оС, т.е. была близка к температуре фазового перехода, это обусловлено процессом постепенного таянья льда.
С момента начала эксплуатации график температуры внутри контейнера можно разделить на два участка:
1 - период охлаждения помещения преимущественно за счёт таянья льда. В этом периоде наблюдается незначительное повышение температур массива аккумулятора холода;
2 - период охлаждения помещения преимущественно за счёт использования холода талой воды.
На рис. 10 представлены графики изменения температуры внутри контейнера на разных уровнях (верхняя, средняя зона и дно контейнера). В период хранения льда температура в средней зоне контейнера мало отличается от температуры на его дне. В режиме работы установки температура в верхней зоне контейнера резко повышается, что обусловлено подачей тёплого воздуха из помещения в верхнюю часть контейнера.
На основе теории тепломассобмена было построено изменение температурного поля в холодохрани-лище, при изменении температуры поверхности льда
на 1оС (рис. 11). Для построения температурного поля было введено упрощение - массив льда принят однородным и изотропным. Изменение температурного поля в массиве льда является частью физико-математической модели процессов, происходящих в холодохранилище. На основании этой модели будет разработана инженерная методика расчёта холодо-хранилищ.
Был определён коэффициент эффективности работы установки:
Л =
N.
(1)
где, 0ИЖ - секундный расход холода, поступающего в помещение, Вт; N - электрическая мощность, потребляемая установкой, Вт.
Электроэнергия тратилась на работу вентилятора и систему автоматизации. Затраты электроэнергии на систему автоматизации были во много раз меньше затрат электроэнергии на работу вентилятора и поэтому не учитывались.
го Е
Средняя температура на дне контейнера
......Средняя температура наружного воздуха
Средняя температура наружного воздуха (метрологические данные) Рис. 9. Изменение средней температуры на дне холодохранилища
Средняя температура на дне контейнера
I Средняя температура в верхней зоне
контейнера
......Средняя температура в средней зоне
контейнера
Рис. 10. Изменения температуры внутри контейнера
Средний коэффициент эффективности установки за время её работы в период охлаждения помещения за счёт таянья льда составил 8,7; в период охлаждение помещения за счёт использования холода талой воды - 2,7.
В результате анализа опытных данных были сделаны следующие выводы:
• Для повышения эффективности работы установки необходимо уменьшить потери холода при его хранении, которое сейчас составляет 42%, и при транспортировке воздуха от контейнера до помещения, которые сейчас составляют 10% (см. рис. 5).
• На следующем этапе проведения НИР необходимо увеличить ёмкость холодохранилища для обеспечения охлаждения помещения на протяжении всего
тёплого периода года.
• При сравнении с работой систем Split и MultiSplit данная установка, в среднем, потребляет в 3 раза меньше электроэнергии на единицу получаемого холода (режим охлаждения при таянии льда).
Проведённые исследования на экспериментальной научно-исследовательской установке с применением льда для холодоснабжения показали, что использование аккумуляции естественного холода приводит к существенной экономии электроэнергии (и соответственно топлива, необходимого для производства электроэнергии) по сравнению с традиционными установками охлаждения помещений, работающих по принципу теплового насоса - Split и MultiSplit.
Библиографический список
1. Оболенский Н.В., Денисюк А.Е. Холодильное и вентиляционное оборудование. М.: КолосС, 2006. 248 с.
2. Шляховецкий В.М. Теория и практика хладотехники. Краснодар: Дом науки и техники, 1998. 98 с.
3. Кобияма М. «Особенности использования снега в инженерной науке» - практические основы использования снега.
9ШШЮШШМШ). Япония, Изд-во
Айвадо, 2003. 111 с.
4. Патент № 2411418. Система охлаждения помещений и оболочка для кусков льда теплоизолированной камеры для
льда такой системы / Штым А.С., Тарасова Е.В., Королева Е.А., Кузьменко А.С., Румянцев Н.С.; заявитель и патен-тоабладатель Автономная неккомерческая научно-образовательная организация ДВГТУ «Научно-технический и внедренческий центр «Модернизация котельной техники» - № 2009140992/21; заявл. 05.11.2009; опубл. 10.02.2011. Бюл. № 4.
5. ОАО «Московский завод тепловой автоматики». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://mzta.ru/.
