Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор исследований и технических решений систем охлаждения помещений с использованием аккумуляции естественного холода .. 12
1.1 Исследование процессов тепломассообмена в холодохранилище при прямом контакте между естественным источником холода и воздухом 14
1.2 Теплофизические свойства естественных источников холода в естественных условиях
1.2.1 Теплофизические свойства льда 15
1.2.2 Теплофизические свойства снега 17
1.3 Влияние солнечной радиации на условия хранения естественных источников холода 21
1.4 Типы снего- и льдохранилищ, схемы систем охлаждения с аккумуляцией естественного холода 27
1.4.1 Снего- и льдохранилищи с охлаждением жидкого холодоносителя 27
1.4.2 Снего- и льдохранилища с охлаждением кондиционируемого воздуха 1.4 Выводы 37
1.5 Постановка цели и задач исследования 39
Глава 2. Исследование процесса тепло-массообмена между охлаждаемым воздухом и естественным источником холода 40
2.1 Математическая модель процесса тепло-массообмена между охлаждаемым воздухом и естественным источником холода 40
2.2 Экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи и влагоперехода от охлаждаемого воздуха к поверхности льда 45
2.2.1 Описание экспериментальной установки 45
2.2.2 Планирование физического эксперимента з
2.2.3 Анализ результатов эксперимента 50
2.3 Экспериментальное определение изменения теплофизических свойств снега в процессе хранения 54
2.4 Выводы 60
Глава 3. Комплексное исследование холодохранилища опытно - промышленной системы кондиционирования 62
3.1 Описание опытно- промышленной системы кондиционирования 62
3.2 Автоматизация опытно-промышленной установки 66
3.3 Анализ экспериментальных данных комплексного исследования холодохранилища 70
3.4 Программа расчета поступления теплоты в аккумуляторы естественного холода с учетом тепловой инерции в их ограждающих конструкциях при суточных колебаниях температуры наружного воздуха 79
3.5 Сравнение расчетных теп л оп оступлений для экспериментальной установки с полученными в процессе эксперимента данными 84
3.6 Выводы 87
Глава 4. Метод расчета запаса льда (снега), технические и экономические показатели систем СКВ с аккумуляцией естественного холода 89
4.1 Основные положения метода расчета аккумуляторов естественного холода в системах кондиционирования воздуха с учетом процессов тепломассообмена, происходящих в них 89
4.2 Анализ технических и экономических показателей СКВ с аккумуляцией естественного холода на примере офисного двухэтажного здания
4.2.1 Расчет аккумулятора естественного холода 91
4.2.2 Технико-экономическое сравнение систем СКВ 93
4.2.3 Сравнение технических показателей СКВ 100 4.2.4 Оценка экологической эффективности СКВ с аккумуляцией
естественного холода 103
4.5 Выводы 108
Глава 5. Разработка новых конструкций холодохранилищ 110
5.1 Холодогенератор с трехступенчатым теплообменником ПО
5.2 Промышленная установка скважинного типа для охлаждения воздуха 115
5.3 Выводы 118
Заключение 119
Список литературы
- Типы снего- и льдохранилищ, схемы систем охлаждения с аккумуляцией естественного холода
- Экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи и влагоперехода от охлаждаемого воздуха к поверхности льда
- Анализ экспериментальных данных комплексного исследования холодохранилища
- Анализ технических и экономических показателей СКВ с аккумуляцией естественного холода на примере офисного двухэтажного здания
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Мировая практика использования энергоресурсов ориентируется на увеличение использования нетрадиционных источников энергии и разработку энергосберегающих технологий. Одним из главных приоритетов новой энергетической политики России, подтвержденных ФЗ №261, является использование возобновляемых источников энергии. Рациональное использование энергетических ресурсов возможно путем проведения активной энергосберегающей политики и создания эффективных систем и энергооборудования.
Учитывая возросшие требования к микроклимату помещений, потребление энергии системами кондиционирования существенно увеличилось, поэтому назрела необходимость использования экологичных и энергосберегающих технологий. Аккумуляция холода в системах кондиционирования зданий с использованием возобновляемого естественного источника холода - снега или льда является одним из способов уменьшения потребления энергии и экономически выгодным инженерным решением.
Территория России обладает огромными запасами холода, который может успешно использоваться в короткий период жаркого лета. Таким образом, применение аккумуляции холода в системах кондиционирования зданий с использованием снега или льда имеет широкие перспективы развития, как энергосберегающая технология.
Среди зарубежных стран технология аккумуляции льда и снега для систем кондиционирования воздуха (далее СКВ) наиболее активно применяется и развивается в Японии. Применение естественного холода в несколько раз снижает затраты электроэнергии на СКВ в теплый период года.
Энергосберегающая технология на основе аккумуляции естественного льда или снега для СКВ имеет широкие перспективы использования не только в России, но и за рубежом, там, где климатические условия позволяют аккумулировать естественный холод в зимний период года.
Степень разработанности темы исследования. В работах В.Р. Щекина, В.Н. Богословского, О.Я. Кокорина, Н.Н. Павлова, Ю.И. Шиллера, Н.В. Оболенского отмечено об использовании естественных источников холода для СКВ. А.Ф. Абрамов, Д.Н. Юрьев, А.Ю. Ратников, Н.Н. Рожков, И.Б. Цесарский, А.П. Комаров, A.M. Мусин, Ф.Г. Марьяхин, А.И. Учеваткин, Б.П. Коршунов, Е.И. Назин, В.А. Лавров, С.С. Зверев, Л. Волконович, К. Сырги и другие проводили исследования по применению естественного льда для сохранения и охлаждения продуктов питания и сельскохозяйственной продукции.
Среди зарубежных авторов работы К. Скогсберга, М. Кобиямы, Т. Такахаси, А. Ванга и других посвящены сезонной аккумуляции естественного холода (снега, льда, мерзлой земли) для СКВ различного назначения.
Анализ исследований, посвященных использованию естественных источников холода, показал, что недостаточно изучены процессы тепломассообмена, происходящие в холодохранилищах. Отсутствует методика определения параметров воздуха, охлажденного при прямом контакте с
естественным источником холода. При расчете ограждающих конструкций холодохранилищ не учитывается влияние тепловой инерции ограждающих конструкций при радиационном воздействии солнца, что сказывается на достоверности сроков и качестве процесса хранения льда или снега, а также на расчете требуемых запасов льда или снега с учетом условий хранения.
Цели и задачи работы
Цель работы - разработка энергоэффективных технологий кондиционирования и эффективных методов расчета сезонной аккумуляции естественного холода для систем кондиционирования воздуха с учетом влияния тепловой инерции при радиационном воздействии солнца на ограждающие конструкции холодохранилищ и определение термодинамических параметров воздуха при контакте с естественным источником холода.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Разработать физико-математическую модель изменения
термодинамических параметров воздушного потока при контакте с естественным
источником холода для их определения.
-
На основе моделирования процесса хранения снега в холодохранилище определить характер изменения его теплофизических свойств и численные значения — плотности, теплоемкости, пористости, степени наполнения пор влагой.
-
Для определения влияния солнечной радиации на теплопоступления в холодохранилище выполнить экспериментальные исследования.
-
Разработать метод расчета запаса естественного источника холода - снега или льда, с учетом выявленных недостатков существующей методики расчета теплопоступлений через ограждающие конструкции холодохранилищ.
5. На основе выявленных путей совершенствования конструкций
холодохранилищ разработать новые.
Научную новизну работы составляют:
-
Разработана математическая модель процесса тепломассообмена между охлаждаемым воздухом и льдом, позволяющая рассчитать изменение термодинамических параметров воздуха в процессе тепло - и влагообмена между потоком охлаждаемого воздуха и льдом в зависимости от начальной температуры и влажности охлаждаемого воздуха, площади теплообмена и скорости воздушного потока.
-
Экспериментальным путем установлен характер изменения с течением времени и численные значения теплофизических свойств снега - плотности, степени наполнения влагой, пористости снежной массы, теплоемкости снежно-водяной массы, в условиях приближенных к хранению снега в холодохранилище.
-
С учетом фактического воздействия солнечной радиации и влияния тепловой инерции на теплофизические характеристики ограждающих конструкций, представлена программа расчета поступления теплоты в аккумуляторы естественного холода при условии хранения естественного источника холода.
3. Для повышения эффективности проектирования СКВ с сезонной аккумуляцией естественного холода разработан метод расчета запаса снега или
льда в холодохранилищах, позволяющий учитывать процессы тепломассообмена, происходящие в них в процессе хранения.
5. Разработаны новые конструкции холодохранилищ, имеющие технические решения, повышающие их эффективность.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Использование предложенных в диссертации технологий и методов расчета, определяющих количество и качество аккумуляции естественных источников холода и свойств воздуха, будет способствовать повышению эффективности работы систем кондиционирования воздуха, сбережению энергетических ресурсов, улучшению экологической ситуации.
Результаты, полученные соискателем, использованы:
при проектировании и создании опытного образца системы кондиционирования (на основе аккумуляции естественного источника холода) офисного помещения цеха деревообработки в Дальневосточном Федеральном университете (акт внедрения прилагается), разработанная система автоматизации, примененная на этом объекте, позволила существенно увеличить период работы холодохранилища за счет рационального использования источника холода (2009-2010 гг.);
- при работе по гранту министерства образования и науки Российской
Федерации по ФЗ 218: «Организация высокотехнологичного инновационного
производства деревянных зданий и сооружений» в разделе «Разработка систем
жизнеобеспечения для инновационного модульного деревянного здания,
отвечающего требованиям энергосбережения и обеспечивающего требуемые
условия микроклимата в помещениях» государственный контракт 13.Q25.31.0043
от 7 сентября 2011 года. Разработан, внедрен и эксплуатируется опытный образец
системы СКВ с использованием льда, в качестве источника холода, для жилого
индивидуального дома из деревянных конструкций (2011 -2012 гг.);
- для разработки технико-экономического обоснования аккумуляции
естественных источников холода при проектировании системы
кондиционирования в овощехранилищах фермерских хозяйств Приморского края.
Методология и методы исследования. Работа выполнена с применением патентно-информационного анализа проблемы, методов математического моделирования, планирования эксперимента и статистической обработки данных, экспериментальных методов: лабораторных, полупромышленных. Теоретической и методологической базой диссертационной работы являются законы и методы теории тепломассообмена и классической термодинамики.
Положения, выносимые на защиту:
математическая модель процесса тепломассообмена между охлаждаемым воздухом и льдом, разработанная для определения термодинамических параметров охлажденного воздуха.
программа расчета поступления теплоты в аккумуляторы естественного холода, с учетом тепловой инерции ограждающих конструкций при поглощении солнечной радиации.
метод расчета запасов снега или льда в холодохранилищах, учитывающий процессы тепломассообмена, происходящие в них в процессе хранения.
- результаты натурных исследований работы опытно-промышленной
системы кондиционирования воздуха на основе аккумуляции естественных
источников холода.
- новые конструкции холодохранилищ, имеющие технические решения,
повышающие их эффективность, защищенные патентами.
Степень достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных методов теории теплообмена и термодинамики для разработки математических моделей; использованием оборудования и измерительных приборов, обеспечивающих достаточную точность измерения; математическими методами планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных, а также обсуждением на научных конференциях методов и результатов исследования с последующей их публикацией. Практическим внедрением предлагаемых решений в системы кондиционирования зданий.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на: Международных Форумах Студентов, Аспирантов и Молодых Учёных Стран Азиатско-Тихоокеанского Региона (2008-2012 гг.); конференциях «Вологдинские чтения» (2008-2010 гг.) и «Молодежь и научно-технический прогресс» (2007-2011 гг.) в г. Владивостоке; научно-практической конференции «Проблемы развития энергетики Приморского края и задачи топливно-энергетического комплекса края и предприятий ЖКХ к ОЗП 2008-2009 гг.» г. Владивосток; всероссийских конференциях «Экология и безопасность жизнедеятельности» 2009 г. и «Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств» 2010 г. в г. Пенза.
Результаты работы опубликованы в центральных Российских изданиях -Интернет-вестнике ВолгГАСУ 2011 г., Вестнике Иркутского государственного технического университета 2012 г., Научном обозрении - 2012 г., Вестнике гражданских инженеров — 2012 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 22 статьях и докладах, из них в четырёх журналах, включенных в перечень ВАК и четырёх патентах соискателя.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и трех приложений. Работа содержит 151 страницу машинописного текста, 54 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 105 наименований.
Специальность, которой соответствует диссертация. Согласно сформулированной цели научной работы, ее научной новизне, установленной практической значимости, диссертация соответствует паспорту специальности 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение, пункту 1 «Совершенствование, оптимизация и повышение надежности систем теплогазоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования, методов их расчета и проектирования. Использование нетрадиционных источников энергии»; пункту 3 «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований систем
теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения, освещения, защиты от шума».
Типы снего- и льдохранилищ, схемы систем охлаждения с аккумуляцией естественного холода
Температура теплоизоляции на границе х = / в первые три часа достигает 98 % от максимально возможного значения, далее процесс изменения температуры замедляется. Общее время стабилизации температуры на границе х = / равно 24 часам. Время стабилизации температуры на внутренних стенках холодохранилища превышает период смены дневных и ночных температур. Следовательно, существует влияние инерционности ограждающих конструкций на теплопоступления в холодохранилища.
При определении поступлений теплоты за счет солнечной радиации через ограждающие конструкции, по методикам [56] и [70], не учитывающим влияние инерционности ограждающих конструкций, расчет теплопоступлений в холодохранилище ведет к завышению требуемого запаса естественного источника холода, и, следовательно, к увеличению затрат на постройку и эксплуатацию холодохранилища. 1.4 Типы снего- и льдохранилищ, схемы систем охлаждения с аккумуляцией естественного холода При анализе имеющихся технических решений систем охлаждения схемы холодохранилищ были классифицированы и рассмотрены их конструктивные преимущества и недостатки.
Классификация схем холодохранилищ представлена на рисунке 1.9. В России наибольшую известность получила схема стаивания естественного льда в бунте по методу В.А. Бобкова (Рисунок 1.10) [72].Такая схема может быть использована для любых систем кондиционирования воздуха при наличии центрального кондиционера. С охлаждением жидкого холодоносителя Преимущества Дополнительный жидкостный контур упрощает управление системой охлаждения; возможность размещения холодохранилища на расстоянии от СКВ (максимальное расстояние определяется возможностями насоса в жидкостном контуре и свойствами теплоизоляции труб); использование нескольких контуров дает возможность исключить контакт воздуха и талой воды, что понижает санитарные требования к естественному источнику холода. Недостатки
Понижение надежности и дополнительные затраты энергии для перемещения жидкого холодоносителя из-за наличия нескольких контуров. Смешанные С охлаждением кондиционируемого воздуха Преимущества Повышение надежности за счет отсутствия промежуточных контуров; исключают дополнительные затраты энергии на перемещение промежуточного жидкого холодоносителя; Недостатки Высокие санитарные требования к чистоте естественного источника холода; требуют хорошей теплоизоляции воздуховодов и близкого расположения охлаждаемого помещения и холодохранилища; размеры воздуховодов гораздо больше размеров трубопроводов с жидким холодоносителем. По способу охлаждения воздуха - через водо-воздушный теплообменник; с использованием оросительной камеры. По типу жидкости - использование талой воды; использование промежуточных жидкостных контуров. По типу аккумулятора холода - закрытые (отдельные помещения и ёмкости); - открытые; - камеры с периодической засыпкой естественных источников холода. По типу используемого воздуха - прямоточные; - рециркуляционные; . с подмесом наружного воздуха
Основными способами заготовки естественного льда являются: вырезка или выколка льдин из водоемов; послойное намораживание на площадках; намораживание сосульчатого льда в градирнях.
В водоемах лед намораживают при толщине не менее 0,3 м. Ледяное поле очищают от снега и размечают на прямоугольники размером 0,8 х 0,6 м; по контуру прямоугольников лед вырезают, извлекают, подсушивают и свозят в льдохранилища. Заготовка льда из водоемов очень трудоемка, связана с большими транспортными расходами. Поэтому себестоимость льда из водоемов выше, чем намороженного на площадках. Для заготовки льда этим способом требуется разрешение санитарной инспекции [72].
Способ заготовки льда послойным намораживанием применяют в северных и средних климатических поясах, при температуре воздуха не выше -10 С в течение 45 -60 дней. Преимущества такого способа заготовки льда: нет необходимости в большом количестве рабочих, не требуется сложных приспособлений и доставка льда в хранилище [7].
Лед намораживают с помощью брандспойтов или гидромеханизированным способом [15,19]. После окончания намораживания ледяной массив покрывают соломенными матами и засыпают дешевыми изоляционными материалами (антисептированные опилки, торф, солома).
Намораживание сосульчатого льда в градирнях используют в районах с мягкими зимами. Эстакады-градирни изготавливают из жердей в виде трехъярусной этажерки. В верхней части градирня орошается водой с помощью форсунок. Вода, стекая по ярусам градирни, замерзает в виде сосулек, которые скалывают и отправляют в льдохранилище [7].
Основной недостаток схемы, представленной на рисунке 1.10, это высокие требования к качеству талой воды. Талая вода проходит через поверхностный воздухоохладитель кондиционера, который быстро выйдет из строя, если в талой воде будет механическая и корозионно активная грязь.
Экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи и влагоперехода от охлаждаемого воздуха к поверхности льда
С целью оптимизации потребления холода и с учетом плана эксперимента принято решение полностью автоматизировать работу опытно-промышленной установки на базе контроллеров КОНТАР. Разработано техническое задание, на основании которого в техническо-программном комплексе КОНТАР был предложен и реализован проект автоматизации [82]. Так как установка является опытно-промышленной, то в системе автоматизации заложена совместная работа, как с целью экспериментального исследования, так и с целью поддержания комфортных условий в кондиционируемом помещении. Вместе с планами проводимых экспериментов были учтены особенности работы персонала и учащихся, являющихся потенциальными потребителями холода, а именно: недельный график пребывания персонала, время использования помещения, выключение системы охлаждения здания в нерабочее время. Помимо заложенного графика работы система может сама определить момент начала работы при повышении температурного и влажностного режима в помещении, при этом контроль диспетчера над работой установки в процессе эксплуатации практически не требуется. Комфортные условия (t = 25 С, W = 60 70 %) для кондиционируемого помещения определились на основании проведенных первичных замеров воздуха и рекомендаций персонала и учащихся, так же учитывалось расположение датчиков внутри помещения. Дальнейшее использование автоматизации в холодогенераторах такого типа позволит оптимизировать работу и получить более высокие значения показателей, определяющих эффективность работы установок. Контроль и регулирование температуры в кондиционируемом помещении, осуществляются контроллером в комплекте с датчиком температуры в помещении и вентиляционным оборудованием (вентилятор с регулятором мощности). С целью увеличения полезной работы установки и максимального сохранения потенциала аккумулятора холода предусмотрено три режима работы установки: 1) Автоматический режим - обеспечивает температуру в помещении не выше 25 С, работа установки во временных рамках с 8:00 до 18:00 в будние дни. 2) Ручной режим - предусмотрен для обеспечения работы установки в не запланированные дни и часы: обеспечение температуры в помещении не выше 25 С, работа установки во временных рамках с 8:00 до 20:00. 3) Экспериментальный режим - без ограничений. Автоматизированная установка осуществляет: -сбор и мониторинг данных состояния температурного поля аккумулятора холода и наружных ограждений холодохранилища; -сбор значений температур воздуха, поступающего и уходящего из холодохранилища; -сигнализацию аварийных режимов работы вентиляции; -установку световой индикации работы вентилятора и щита автоматизации. Перечень технологических параметров 1) температура состояния аккумулятора холода- 4; температура наружных ограждений - 6; температура наружного воздуха - 1; температура в воздуховодах системы кондиционирования - 3; температура воздуха в помещении - 1. Итого - 15 контролируемых аналоговых параметров. 2) Контролируемые дискретные сигналы: состояние работы вентилятора 1; 3) Аварийные сигналы: напряжение на вводе в шкаф автоматизации; напряжение на вентилятор. Для диспетчеризации предусмотрено: 1) Контроль следующих параметров: Аналоговых: температура наружных ограждений холодохранилища - 1; температура состояния аккумулятора холода в хол о дохранил ище - 4; температура приточного воздуха - 1; температура наружного воздуха - 1 ;температура воздуха в помещении - 1. Дискретных: состояние работы вентилятора - 1. 2) Сигнализация аварийных сигналов: неисправность датчиков температур. 3) Задания параметров: температуры в кондиционируемом помещении; выбор режима работы. 4) Отображение: температуры состояния аккумулятора холода; температуры наружных ограждений; температуры наружного воздуха; температуры в воздуховодах системы кондиционирования; температуры воздуха в помещении. Схема подключения к контроллеру
На рабочем поле главного проекта размещается приборный блок контроллера МС8, выбираемый из окна библиотеки. Внутри приборного блока контроллера МС8, размещаются функциональные блоки, также выбираемые из окна библиотеки, и задаются связи между ними (Рисунок 3.4).
Алгоритм разбит на логически завершенные алгоритмические части - так называемые комплексные функциональные блоки (Рисунок 3.5). Разбивка алгоритма осуществлена так, чтобы каждый комплексный функциональный блок выполнял одну определенную функцию при автоматизации.
В программе КОНТАР АРМ, входящей в состав программно-технического комплекса КОНТАР, разработано автоматизированное рабочее место диспетчера (Рисунок 3.6.), где учтены следующие требования: - Отображение значений всех значений параметров;
Данные с пилотной установки снимались с 15.04.2010 г. до того момента, когда температура внутри холодохранилища достигла 20 С - 28.07.2010 г. Первый день года, когда потребовалось охлаждение офисного помещения -15.06.2010. Таким образом, запасенного льда хватило для обеспечения охлажденным воздуха данного помещения с 15 июня до 28 июля. В течение этого периода система охлаждения автоматически включалась в течение 12 рабочих дней. В остальные дни, из указанного периода, охлаждение воздуха не требовалось. Максимальная мощность охлаждения на выходе воздуха из контейнера составила - 3,9 кВт, на выходе воздуха из приточных решеток в помещении - 3,2 кВт. Расход воздуха, циркулировавший через охлаждаемое помещение, был постоянным и равным 750 м3/ч. Изменение температуры внутри холодохранилища
Анализ экспериментальных данных комплексного исследования холодохранилища
Разработанный метод расчета аккумуляторов естественного холода в системах кондиционирования воздуха учитывает процессы тепломассообмена, происходящие в холодохранилищах.
В результате анализа технико-экономических показателей СКВ с аккумуляцией естественного холода на примере офисного двухэтажного здания получено: - дисконтированные затраты за 10 лет эксплуатации СКВ являются наименьшими для системы с использованием аккумуляции естественного холода. При сравнении с системой чиллер-фэнкойл, простой срок окупаемости системы с аккумуляцией холода - 3,7 лет, дисконтированный срок окупаемости - 4,8 лет. - удельный объем аккумулированного льда на 1 м офисного помещения 0,9м /м . Удельные капиталовложения для системы охлаждения помещений с использованием аккумуляции естественного холода на 1 м офисного помещения -3350 руб./м . Удельные эксплуатационные затраты для системы охлаждения помещений с использованием аккумуляции естественного холода на 1 м офисного помещениям за год - 332 руб./(м год).
На основании произведенных технико-экономических расчетов сделан вывод о предпочтительном использовании систем кондиционирования воздуха с сезонными аккумуляторами естественного холода для помещений больших объемов и целых зданий в качестве централизованной системы кондиционирования.
Анализ технических характеристик СКВ с аккумуляцией естественного холода показал, что основным преимуществом системы кондиционирования с аккумуляцией естественного холода является малое потребление энергии. По сравнению с системами чиллер-фэнкойл, при использовании аккумуляции естественного холода, энергозатраты снижаются до 7 раз для систем кондиционирования, в которых происходит прямое охлаждение воздуха в холодохранилищах, и до 15 раз для систем, в которых используется промежуточный жидкий холодоноситель.
Надежность СКВ с аккумуляцией естественного холода выше, так как конструкция холодохранилища достаточно простая. Как источники холода холодохранилища имеют относительно большие размеры, поэтому приемлемой областью применения их может быть неплотная застройка, отдельно стоящие здания, здания аэропортов, овощехранилищ, частных домов и др.
Произведенная оценка экологической эффективности СКВ с аккумуляцией естественного холода показала, что уменьшение потребления условного топлива при использовании СКВ с аккумуляцией снега и льда может достигать 9,3 кг у.т. на одну тонну запасенного снега или льда, снижение выбросов ССЬ - 19 кг на одну тонну запасенного снега или льда. Для двухэтажного офисного здания, рассмотренного в данной главе, годовая экономия условного топлива составила 1,3-1,4 т/год, годовое снижение выбросов С02 - 2,64 т/год (по сравнению с системой чиллер-фэнкойл).
В результате выполнения исследований разработаны новые конструкции холодохранилищ, на основе выявленных путей их совершенствования (см. п. 1.4).
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение холодопроизводительности за счет увеличения регенерационной способности источника холода. Научная новизна подтверждается полученным патентом РФ на изобретение № 2413142 [104].
Данное изобретение относится к области теплообменных устройств, предназначенных для охлаждения жидких рабочих сред, в частности для утилизации нетрадиционных источников холода в виде тающего льда или снега, и может быть использовано в системах кондиционирования помещений.
Целью изобретения является интенсификация процессов теплообмена между7 талой водой снежно-ледяного массива и охлаждаемой жидкостью, разделенными поверхностями теплопередачи.
Схема холодоисточника приведена на рисунках 5.1 и 5.2. Холодоисточник состоит из корпуса прямоугольной формы (1) с двойными стенками, полость (4) между которыми вакуумирована. Давление воздуха внутри полости 0,003 МПа. Корпус и крышка (2)покрыты теплоизоляцией. Внутри корпуса по ходу движения охлаждаемой воды размещаются: трубчатый экономайзерный теплообменник (18), погруженный в талую воду (7), он имеет наружное оребрение квадратной формы; промежуточный капельно-ударный теплообменник (6); контактный теплообменник (5), размещенный в верхней части. Каждый. теплообменник снабжен горизонтально расположенными коллекторами (17) для равномерной подачи и отвода жидкости. Данная конструкция позволяет последовательно реализовать различные виды теплосъема, с обеспечением
Анализ технических и экономических показателей СКВ с аккумуляцией естественного холода на примере офисного двухэтажного здания
Годовой расход холода для системы охлаждения воздуха определялся по методике, изложенной в [92], и составил 75086,6 МДж/год.
Холодохранилище рассчитано по разработанной методике и его объем составил 319 м пресного льда. Коэффициент затенения к3бьт принят равным 1.
В качестве льдохранилища принято отдельное утепленное сооружение в форме прямоугольной призмы. Размеры хранилища: ширина -8 м, длина 11м, высота -4 м. Теплоизоляция ограждающих конструкций - пенополистирол, толщиной 0,2 м. Лед послойно намораживается в холодный период года при температуре наружного воздуха ниже минус 10 С. Принято, что в полу под ледяным бунтом монтирован трубчатый теплообменник (площадь теплоотдающей поверхности 9,2 м ), через который в теплый период года пропускается водяная смесь с незамерзающей жидкостью. Холодоноситель циркулирует по трубопроводам и поступает в фэнкойлы, установленные в офисных помещениях здания.
Варианты систем охлаждения воздуха выбирались из условия обеспечения комфортных условий в помещениях. В каждом помещении предусмотрено регулирование мощности охладителя.
Для технико-экономического сравнения были приняты следующие варианты систем охлаждения помещений: 1. Система чиллер-фэнкойл. В помещениях установлены фэнкойлы. Охлаждение жидкого холодоносителя происходит в чиллере. 2. Система с льдохранилищем. В помещениях установлены фэнкойлы. Охлаждение жидкого холодоносителя происходит в холодохранилище с аккумулированным льдом. 3. Мультисплит система. Технико-экономические сравнение систем охлаждения для офисного двухэтажного здания было произведено при использовании следующих расчетных зависимостей [93-95]: Ежегодные эксплуатационные затраты, Э„ руб./год: Э,=Эа + Э0+Эт, (4.4) где Эа— амортизационные отчисления, руб./год; Э0 - затраты на ремонт и обслуживание технических средств, руб./год; Эт - затраты на потребление энергоресурсов, руб./год; Амортизационные отчисления: Эа = Косн/Тосн, (4.5) Где Косн - стоимость основного оборудования, Тосн - срок службы основного оборудования, в расчете принят 10 лет. Затраты на ремонт и обслуживание технических средств Эо=0,0\-(Но-Косн), (4.6) гдеЯ0 - норма годовых затрат на ремонт и оборудования, %. На стадии технико-экономического обоснования Н0 принимается от 2 до 3 %, для расчетов принято 2,5 %. Капиталовложения і-го варианта, т. руб.; K=KocH+K„P, (4-7) где Кс и - стоимость строительно-монтажных работ. Дисконтированные затраты, при условии постоянства текущих издержек по годам расчётного периода: ДЗ + Э , (4.8) где Эпр1 - приведенные эксплуатационные затраты, т. руб. (эксплуатационные затраты в сравниваемых вариантах приняты без учета их изменения по вариантам за счет налогов на имущество и на прибыль): З ХС.О + Рд)7"-1, (4-9) т=\ где Рд - средний темп увеличения ежегодных затрат, принят 10%; Т расчетный срок, лет. Простой срок окупаемости, лет: Т =ElZ]k = (4.1) 0 Эх-Э2 A3, где Кх ,К2- инвестиции в сравниваемые проекты, т. руб., при условии, что К2 КХ;ЭХ,Э2- ежегодные эксплуатационные издержки, т. руб./год, причём Э, Э2. Срок окупаемости инвестиций с учетом дисконтирования: Т„ = - - К, (4.11) д ln(l + r) V } где г - расчетная норма дисконта (8-10 % в год). Срок окупаемости инвестиций в условиях наращения: T = 1 н (4.12) 1п(1 + г-Го) 1п(1 + г) При расчете эксплуатационных затрат стоимость электроэнергии принималась согласно тарифов на 2012 г. 1 кВт/ч - 1,7 руб. Капиталовложения Kt в систему чиллер-фэнкойл приняты - 3 000 руб./м , для системы мультисплит -5000 руб./м [96],капиталовложения в постройку холодохранилища - 12 000 руб./м . Перечень и стоимость основного оборудования для сравниваемых вариантов систем охлаждения помещений приведены в приложении 3.
На рисунках 4.1, 4.2 и 4.3 приведены капиталовложения, эксплуатационные затраты и дисконтированные затраты за 10 лет службы для сравниваемых вариантов систем охлаждения помещений.
Капиталовложения для системы кондиционирования помещений с использованием аккумуляции естественного холода на 10,5 % выше, чем для системы кондиционирования чиллер-фэнкоил и на 33 % меньше по сравнению с системой мультисплит.
Эксплуатационные затраты за первый год работы для системы кондиционирования помещений с использованием аккумуляции естественного холода являются наименьшими по сравнению с системой чиллер-фэнкоил на 42% и системой мультисплит на 56,6 %.
Дисконтированные затраты за 10 лет эксплуатации систем являются наименьшими также для системы кондиционирования помещений с использованием аккумуляции естественного холода. При сравнении с системой чиллер-фэнкойл, простой срок окупаемости системы с аккумуляцией холода - 3,7 лет, дисконтированный срок окупаемости - 4,8 лет.
