Расчет ночного охлаждения помещений

Известны предложения специалистов относительно использования наружного воздуха в технике кондиционирования и охлаждения. Например, Б.С. Тихонов [1, 2] описал возможность охлаждения ночным воздухом воды в градирнях, а А.Н. Колубков и Н.В. Шилкин в статье [3] сослались на опыт Германии в использовании охлаждаемых змеевиками стен зданий, в которые подается холодная вода.

В статье [4] приводится графическая зависимость снижения температуры в помещении от 21,5 °C в 19:00 часов до 19–20 °C в 05:00 часов от кратности воздухообмена kр = 4, 8 и 12 ч–1, однако данные о характеристиках помещения (lпом, ak.cp и др.) и ходе наружной температуры в ней не указаны. Ночное охлаждение помещения наружным воздухом — специальная научно-инженерная задача, имеющая заметное значение для охлаждаемых объектов — помещений разного назначения с большими теплоизбытками, где температура воздуха в теплый период года может быть задана интервалом [tв.min, tв.max], например 23–28 °C.

Холод, накопленный в этом случае в поверхностном слое внутренних ограждений и оборудования, аккумулируется ими, и при появлении теплоизбытков поступает в воздух помещения, уменьшая расход подводимого к воздухоохладителю холода и время его использования. Как показывают расчеты, удельное количество аккумулируемого холода может составлять 30–50 Вт/м2, что при малом определяющем размере помещения lпом = Vпом/ΣFогр оказывается существенной величиной.

Одной из первых публикаций на обсуждаемую данную тему была книга Е.Е. Карписа [5] по энергосбережению в СКВ. В частности, он предложил учитывать «аккумулирующую способность наружных и внутренних ограждений, подвергая их охлаждению или нагреву до появления обычных тепловых нагрузок». Позже в обзорной статье Е.Е. Карпис [6] рассмотрел системы холодоснабжения, использующие наружный воздух, однако к данной задаче он не вернулся.

В последнее время к этой теме обратился Е.О. Шилькрот [7]. Среди многочисленных мер энергосбережения он выделил около десяти, по его мнению, основных, среди которых отметил и ночное проветривание. В основе расчета эффекта ночного охлаждения помещения лежит рассмотрение хода наружной температуры в теплое время суток и их повторяемость в разных городах (рис. 1), которая имеет наибольшую величину не при пиковых, а при умеренных значениях температур. Представим, что температура наружного воздуха в течение не самых жарких, но характерных летних суток меняется приближенно гармонически по закону:

причем в ночные часы при амплитуде At.н = 5–8 °C (в СНиП [8] указаны двойные амплитуды!) она существенно ниже tв.max и даже tв.min (рис. 2):

и, включая вентиляцию в ночное время, можно заметно снизить температуру воздуха и одновременно внутренних поверхностей всех ограждений такого помещения. Процесс снижения tв(τ), показанный на рис. 2, происходит сложным образом под влиянием разных факторов:

• изменения tн(τ), сначала падения (1–2 на рис. 2), потом подъема (2–3);
• начальной разности температур (tв – tн)0, соответствующей точкам 1ʹ и 1 в момент включения вентиляции для ночного охлаждения помещения;
• нагрева наружного (приточного) воздуха с учетом потерь энергии в вентиляторе и двигателе на величину (pвент — полное давление вентилятора, кПа): Δtпр = 0,8pвент/(ηвентηдв);
• остаточных конвективных тепловыделений в помещении в нерабочее время ΔQизб.к, например теплоты солнечной радиации.

После достижения наружной температурой tн своего минимального значения (примерно в три-четыре часа утра) начинается ее подъем, поэтому снижение температуры в помещении tв затормаживается и в какой-то момент времени, соответствующий точке 3 на рис. 2 эти температуры, сближаясь, становятся одинаковыми. С этого момента ночное охлаждение помещения становится неэффективным, и систему вентиляции до начала работы объекта отключают. Заметным преимуществом ночного охлаждения является то, что по времени оно совпадает или близко времени действия льготного ночного тарифа. Расчет снижения температуры в ночное время для каждого часа можно производить по формуле:

где Δtн(τ) — снижение температуры наружного воздуха от начала ночного охлаждения помещения до момента τ, ч; (tв – tн)0 — начальная разность температур внутреннего и наружного воздуха в момент начала ночного охлаждения, °C; Δtпр — нагрев приточного воздуха, °C; ΔQизб.к — избыточные конвективные тепловыделения в нерабочее время, кВт; Lпр — расход приточного воздуха в режиме ночного охлаждения помещения, м3/с; aк.ср — средний коэффициент конвективного теплообмена на поверхностях ограждений помещения, зависящий от вида приточных струй (настилающиеся, отрывные) и кратности воздухообмена, Вт/(м2⋅°C); qпов — относительное изменение температуры поверхности ограждений, определяемое по методике А.В. Лыкова [9]:

kр — кратность воздухообмена в помещении, ч–1; lпом = Vпом/ΣFогр — определяющий размер помещения, м; τ — время, отсчитываемое от момента начала ночного охлаждения помещения. В формуле (2) последним слагаемым знаменателя 1/(τkр) можно пренебречь. Кроме расчета снижения температуры воздуха в помещении важно вычислить удельное количество холода [(Вт⋅ч)/м2], запасенного при ночном охлаждении в тонких слоях со стороны внутренних поверхностей ограждений и оборудования. Эту величину можно определить:

Удельные затраты электроэнергии на ночное проветривание помещения не однозначны и зависят от того, какая система (приточная, вытяжная, обе вместе) обеспечивают перемещение воздуха. В общем случае, когда работают приточный и вытяжной вентиляторы, удельный расход энергии, отнесенный к единице площади ограждений помещения [(Вт⋅ч)/м2], можно определить по следующей формуле:

где pв.пр и pв.выт — полное давление приточного и вытяжного вентиляторов, кПа; ηвент, ηдв — КПД вентилятора и электродвигателя, безразмерный параметр. Варьируя разные способы ночного проветривания, включая открытие окон и механическую вытяжку, можно достичь минимальных затрат электроэнергии на ночное проветривание. Для сравнения приведем зависимость для удельного расхода электроэнергии на выработку холода, эквивалентного тому расходу, который аккумулирован ограждениями помещения:

где Δqакк — удельное количество аккумулируемого стенами холода [(Вт⋅ч)/м2], определяемое по формуле (3); N _ э — относительная доля мощности двигателей насосов и вентиляторов, используемых для выработки холода, по отношению к мощности холодильного компрессора; m — холодильный коэффициент водоохлаждающей машины, равный отношению холода, получаемого в испарителе к мощности компрессора; ηдв — КПД электродвигателя компрессора. При сравнении ночного охлаждения помещения с охлаждением в дневное время с помощью холода, получаемого в водоохлаждающей машине, надо учитывать различие тарифов на электроэнергию в ночное и дневное время, которое может достигать двухи трехкратного, и различие мощностей, потребляемых этой машиной и вентиляторами при ночном охлаждении. Поясним методику расчета ночного охлаждения помещения примером.

Пример

Рассчитать режим охлаждения помещения размерами l × b × h = 5 × 4 × 3 м, объемом Vпом = 60 м3, площадью ограждений и оборудования ΣFогр = 94 м2, характерным размером:

при использовании механической приточно-вытяжной вентиляции, давлении вентиляторов pв.пp = 0,7 кПа и pв.выт = 0,3 кПа, произведении КПД ηвентηдв = 0,7, при кратности воздухообмена в помещении kр = 4 ч–1, среднем коэффициенте конвективного теплообмена на поверхностях aк.ср = 2 Вт/ (м2⋅°C), если в рассматриваемые сутки температура наружного воздуха изменяется приближенно-гармонически по уравнению:

что показано на рис. 2. Время работы объекта — с 09:00 до 18:00 часов, время ночного охлаждения — с 22:00 до 04:00 часов утра, т.е. Δtн.охл = 6 часов. В расчетах принимаем согласно рис. 2: (tв – tн)0 = 26 – 20 = 6 °C, Δtн = 20 – 13 = 7 °C, Δtпр = 1 °C, избыточные тепловыделения в ночное время ΔQизб.к = 0. Теплофизические характеристики материалов вблизи внутренних поверхностей ограждений принять: cм = 840 Дж/ (кг⋅°C), ρм = 1000 кг/м3, lм = 0,7 Вт/(м⋅°C). Определить удельный расход холода, аккумулируемый поверхностями ограждений [(Вт⋅ч)/м2], удельные затраты электроэнергии при работе вентиляторов в системе ночного охлаждения [(Вт⋅ч)/м2] и удельные затраты холода, вырабатываемого водоохлаждающей машиной, [(Вт⋅ч)/м2] при холодильном коэффициенте m = 4, КПД двигателя компрессора ηдв = 0,85 и относительной мощности двигателей насосов и вентиляторов, используемых водоохлаждающей машиной N _ э = 0,3. Предварительно вычисляем комплексный теплофизический критерий М к моменту времени Δtн.охл = 6 ч:

чему соответствует 1 – qпов = 0,65. Снижение температуры воздуха в помещении по формуле (2) будет равно величине –4,7 °C:

Повторим расчет для моментов времени Δtн.охл = 2 и 4 ч, чему соответствует критерий М = 0,05 и 0,10, величина 1 – qпов = 0,85 и 0,78, а снижение температуры Δtв = –3 °C и –4 °C. Усредняя данные, определим удельное количество аккумулируемого холода по формуле (3): Δqакк = 2 × 4,7 × 0,65 × 6 = 37 Вт⋅ч/м2, а общий расход аккумулируемого холода тогда будет равен: ΔQакк = 37 × 94 × 10–3 = 3,5 кВт⋅ч. Удельные затраты энергии на ночное охлаждение помещения при работе приточного и вытяжного вентиляторов по формуле (4) равны 22 Вт⋅ч/м2:

при использовании только вытяжного вентилятора эта величина снижается в три раза. При использовании в дневное время водоохлаждающей машины удельный расход электроэнергии по формуле (5) составит 14 (Вт⋅ч)/м2:

Обсуждая результаты расчета, отметим, что при ночном охлаждении и открытых окнах можно использовать только вытяжной вентилятор, что значительно сократит расход энергии, однако это может быть недопустимым из-за отсутствия очистки поступающего наружного воздуха. Использование водоохлаждающей машины, работающей в дневное время при соответствующем тарифе, потребует больших затрат, чем ночное охлаждение помещения наружным воздухом при соответствующем льготном тарифе. При оценке эффекта использования ночного охлаждения в теплое время года надо принимать среднюю по повторяемости ночную температуру согласно рис. 1 и ее амплитуду по СНиП [8].