Разработка технико-экономической компьютерной модели системы ночного радиационного охлаждения

Системы ночного радиационного охлаждения (НРО), в которых сброс тепла производится за счет инфракрасного излучения, проходящего через атмосферу в окружающее космическое пространство, известны достаточно давно [1]. Однако, как это было показано в предыдущих работах [2], существует ряд проблем, препятствующих их широкому распространению.

Главная проблема на данный момент связана с необходимостью больших площадей для размещения радиаторов и аккумулятора холода и их стоимостью. Хотя происходит постоянное совершенствование конструкций радиаторов [3–6], системы НРО все еще не обладают технико-экономическими характеристиками достаточными для того, чтобы они могли конкурировать с традиционными парокомпрессионными холодильными машинами.

Как было показано ранее [7], в некоторых случаях использование систем НРО позволяет сократить потребление электроэнергии на 30…50% по сравнению с простейшими традиционными парокомпрессионными холодильными машинами. Однако величина капитальных затрат на создание систем НРО на данный момент не позволяет получить для них приемлемый срок окупаемости.

Задача поиска оптимальных решений систем НРО является достаточно сложной, так как она связана как с детальным изучением конструкции самим систем НРО, так и с исследованием работы холодильных систем в различных климатических условиях в течение длительных периодов времени (годовых циклов).

Разработанные математические модели [8] главным образом направлены на исследование термодинамических и гидравлических процессов, происходящих в системах НРО. Однако, данных, используемых в этих моделях не достаточно для оценки технико-экономической эффективности той или иной конструкции системы НРО.

Поэтому важно разработать технико-экономическую модель систем НРО, которая позволит производить оценку энергетической эффективности и стоимости различных вариантов систем НРО, что должно дать возможность выбрать наиболее перспективные конструкции систем НРО и сформировать требования к элементам их конструкций, достижение которых обеспечит практическую применимость систем данного типа для конкретного режима работы в заданном регионе.

При разработке технико-экономической модели также следует учитывать, что за счет одного только НРО не всегда возможно поддерживать требуемую температуру охлаждаемого объекта в течение годового цикла, и интерес представляет исследование комбинированных систем, использующих НРО совместно с обычной парокомпрессионной холодильной машиной (рисунок 1).

Таким образом, было определено, что модель должна автоматически рассчитывать:

1. Температуру воздуха в охлаждаемом объеме и величину теплопритоков в охлаждаемое помещение (теплообменике, аппарате);
2. Затраты энергии на транспортировку и водяное охлаждение (вэлектродвигателях насосов и компрессоров);
3. Все значимые виды теплопритоков к теплоносителю в системе (через стенки трубопроводов и аккумуляторов, от насосов и т.п.);
4. Стоимость компонентов системы (радиаторов, холодильной машины, аккумулятора, насосов, трубопроводов, теплообменников, трубопроводной арматуры, теплоизоляционных материалов и т.п.) в зависимости от их размеров;
5. Площадь радиаторов в зависимости от холодопроизводительности, температурного режима охлаждаемого объекта и климатических условий;
6. Требуемую холодопроизводительность парокомпрессионой холодильной машины в зависимости от тепловой нагрузки и температуры охлаждаемого объекта и климатических условий;
7. Объем аккумулятора, размеры трубопроводов, мощность насосов, мощность охлаждающего теплообменика (воздухоохладитель, жидкостной теплообменик).

Для повышения точности расчетов перечисленных параметров необходимо также учитывать следующие факторы:

1. Влияние масштаба элементов системы на их рабочие характеристики (например: зависимость КПД насосов и компрессоров от их объемной производительности);
2. Изменение термодинамических и транспортных свойств теплоносителей в зависимости от его температуры, а также возможность застывания теплоносителя в трубопроводах. Дело в том, что в предполагаемых сценариях использования систем НРО они могут работать в довольно широком диапазоне температур окружающего воздуха от -30 до +40°C, что значительно влияет на свойства теплоносителя.
3. Необходимость использования различных теплоносителей для разных температурных режимов работы системы НРО.

Для решения поставленной задачи моделирования использована среда SciLab с реализацией объектно-ориентированной модели программирования.

Для расчета потерь давления и процессов теплопередачи использованы стандартные методики, представленные в работах [9] и [10]. При расчете теплового баланса радиатора, для определения потока уходящего теплового излучения использована методика [11].

Для моделирования работы парокомпрессионного холодильного контура использована методика, основанная на методе последовательных приближений при вычисления теплового баланса холодильной установки [12], складывающегося из холодопроизводительности испарителя, холодопроизводительности компрессора, и отводимой теплоты конденсации. Для определения термодинамических свойств хладагентов при расчете цикла используется библиотека CoolProp 6.1 [13].

Физические свойства влажного воздуха рассчитываются при помощи функций, описанных в работе [14].

Технические характеристики элементов системы (насосов, теплообменников, элемен-тов парокомпрессионных холодильных машин) и их стоимость получены путем анализа данных, представленных производителями данного оборудования.

Например, анализ цен на циркуляционные насосы с мокрым ротором с номинальной объемной производительностью от 1,5 до 40 м3/час показал, что их стоимость P (в USD) может быть упрощенно определена по формуле:

P = 275,72•ln(V•3600) - 94,24,
где V – номинальная объемная производительность насоса, м3/с.

Для паяных пластинчатых теплообменников, которые в данном случае будут использоваться в качестве испарителей, интерес представляет удельная стоимость 1 м2 теплообменной поверхности. Она зависит от общей площади теплообменной поверхности в данном теплообменнике и может быть определена выражениями:
для 0,3 < A < 5 м2 Pуд = 427,49 • A-0,519;
для A ≥ 5 м2 Pуд = 457,6 • A-0,301,
где A – общая площадь поверхности теплообмена, м2;
Pуд – удельная стоимость 1 м2 теплообменной поверхности, USD/м2.

Зависимости аналогичного типа были получены для расчета стоимости трубопроводов, трубопроводной арматуры, фитингов, аккумуляторов холода, радиаторов, элементов паро-компрессионных холодильных машин. Таким образом, исключается необходимость ручного расчёта стоимости компонентов системы, что ускоряет перебор вариантов.

Также значительное влияние на работоспособность системы оказывает зависимость эффективности элементов системы от их размеров. Например, для уже упомянутых циркуляционных насосов с мокрым ротором полный КПД, определяемый как отношение мощности, передаваемой жидкости, к мощности, потребляемой электродвигателем насоса, определяется выражением:

η = 0,087•ln(V•3600) + 0,186.

Очевидно, что для циркуляционных насосов малых размеров КПД не превышает 20%, в то время как КПД больших насосов может составлять 50% и более. Следовательно, увеличение масштабов системы НРО может значительно повысить её энергетическую эффективность.

На основе установленных зависимостей разработаны классы объектов, описывающих те или иные части холодильной системы. Наиболее важные из созданных классов представлены на рис. 3.

Классы объектов разработаны таким образом, чтобы можно было автоматически подбирать размеры отдельных элементов холодильной системы (радиатор, аккумулятор холода, холодильная машина, насосы, трубопроводы и т.д.) на основе данных о требуемой общей холодопроизводительности системы. При создании каждого объекта определяется его стоимость и технические характеристики.

Предлагаемый подход должен позволить значительно ускорить процесс перебора вариантов исполнения систем НРО и найти наиболее энергоэффективный и экономически выгодный вариант.

Благодарности

Представленная работа выполнена в рамках проекта AP05130918, осуществляемого по программе грантового финансирования Министерства образования и науки Республики Казахстан по научным и (или) научно-техническим проектам на 2018-2020 годы.

Список литературы

1. Catalanotti, S. etal. The radiative cooling of selective surfaces // Sol. Energy. – 1975. – Vol. 17, № 2. – P. 83–89.
2. Цой, А.П., Грановский, А.С., Цой, Д.А. Технико-экономические проблемы, связанные с использованием систем ночного радиационного охлаждения и пути их возможного решения // Инновації в судобудуванні та океанотехніції : матеріали VII Міжнародної науково-технічної конференції. – Миколаїв: НУК, 2016. – С. 222–225.
3. Raman, A. P. et al. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight // Nature. – 2014. – Vol. 515. – P. 540–544.
4. Tevar, J. a. F. et al. Modelling and experimental analysis of three radioconvective panels for night cooling // Energy Build. – 2015. – Vol. 107. – P. 37–48.
5. Liu, Z., Tan, H., Ma, G. Experimental investigation on night sky radiant cooling performance of duct-type heat exchanger // Int. J. Vent. Taylor & Francis, 2017. – Vol. 16, № 3. – P. 255–267.
6. Craig, S. et al. BioTRIZ Suggests Radiative Cooling of Buildings Can Be Done Passively by Changing the Structure of Roof Insulation to Let Longwave Infrared Pass // J. Bionic Eng. – 2008. – Vol. 5, № 1. – P. 55–66.
7. Fernandez, N. et al. Energy Savings Potential of Radiative Cooling Technologies: PNNL-24904. – Oak Ridge, 2015. – 58 p.
8. Цой, А.П., Грановский, А.С., Цой, Д.А. Моделирование работы холодильной системы ночного радиационного охлаждения в условиях определенного климата // Известия научнотехнического общества «КАХАК». – 2015. – № 3. – P. 95–103.
9. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. 3–е изд. / Под ред. М.О. Штайберга. – М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.
10. Мухачев, Г. А., Щукин В. К. Термодинамика и теплопередача: Учеб. для авиац. вузов. 3–еизд. – М.: Высшаяшкола, 1991. – 480 с.
11. Zhang S., Niu J. Cooling performance of nocturnal radiative cooling combined with microencapsulated phase change material (MPCM) slurry storage // Energy Build. ElsevierB.V., 2012. – Vol. 54. – P. 122–130.
12. Кишкин, А. А, Лавров, Н. А., Делков, А. В., Мокеев, В. В. Моделирование режимов работы малых холодильных установок // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». – 2012. – № 5 (5). – С. 91–98.
13. Bell, I. H. etal. Pure and pseudo-pure fluid thermophysical property evaluation and the open-source thermophysical property library CoolProp // Ind. Eng. Chem. Res. – 2014. Vol. 53, № 6. – P. 2498–2508.
14. Тарабанов, М. Г., Коркин, В. Д., Сергеев В. Ф. Влажный воздух. Справочноепособие. – Москва: НП «АВОК», 2004. – 116 с.

Авторы:

• Цой А.П.1, к.т.н.
• Грановский А.С.2
• Бараненко А.В.3, д.т.н.
• Цой Д.А.3, докторант