Введение
Значительные затраты на отопление жилых и производственных помещений в северных районах страны и вредное воздействие на окружающую среду основных источников тепла требуют обоснования и разработки способов использования экономически эффективных и экологически безопасных возобновляемых источников тепловой энергии. Одним из таких источников энергии являются фазовые переходы воды. По этой теме опубликовано большое количество работ [1–3 и др.]. В ряде публикаций отражены особенности процесса кристаллизации воды и использования выделяемой энергии [4–6]. Технология использования теплоты фазовых переходов воды для решения различных задач удовлетворяет требованиям экологической безопасности [7, с. 19; 8, с. 173].
Ранее проведенными исследованиями [9–11] была показана возможность практического использования теплоты, выделяемой при кристаллизации воды, для обогрева помещений. Количество скрытой теплоты, выделяемой при кристаллизации воды, зависит от площади и интенсивности отвода тепла.
Основными положительными свойствами воды как источника тепла являются:
– возобновляемость тепловой энергии, обусловленной сезонными колебаниями температуры атмосферного воздуха;
– низкая стоимость получаемой тепловой энергии вследствие небольших капитальных и эксплуатационных затрат;
– полное использование выделяемой водой тепловой энергии для обогрева помещений;
– возможность применения технологии обогрева помещений в зимнее время повсеместно, включая малоосвоенные территории;
– экологическая безопасность.
К недостаткам способа обогрева помещений теплотой кристаллизации воды относятся:
– относительно низкая удельная теплота фазового перехода воды (335000 кДж/м3), вследствие этого обогревательное устройство занимает значительную площадь обогреваемого помещения;
– возможность обогрева помещений теплотой кристаллизации воды только до температуры ниже 0 ºС;
– значительное расширение воды при кристаллизации, приводящее к необходимости использовать обогревательные устройства определенной формы, изготовленные из прочного материала.
Существует ряд видов помещений, в которых допускается высокая отрицательная температура, а при подключении теплового насоса можно получать необходимую положительную температуру в помещении.
В работе рассматривается технология получения в помещении в зимнее время высоких отрицательных температур.
Цель исследования – разработка методики расчета параметров обогревательного устройства помещений, основанного на фазовых переходах воды.
Задачи исследования:
– определение суммарного количества потерь тепла из помещения в окружающую среду в период отопительного сезона;
– определение количества воды, теплота кристаллизации которой равна суммарным потерям тепла из помещения;
– проведение испытаний опытного помещения в режимах «Зарядка» и «Разрядка» водяного обогревательного устройства;
– обработка результатов испытаний и определение вспомогательного количества воды в обогревательном устройстве;
– усовершенствование обогревательного устройства.
Материалы и методы исследования
Опытный объект, представляющий собой гараж, обогреваемый теплотой кристаллизации воды, построен в г. Якутске в 2018 г.
Потери тепла из помещения в окружающую среду определяли расчетным путем [12, с. 31; 13, c. 24; 14]. Испытания опытного объекта были проведены при различных среднезимних температурах наружного воздуха и разных количествах воды в обогревательных устройствах, названных водяными аккумуляторами тепла (ВАТ), в течение 2019–2025 гг. Зимние температуры наружного воздуха в разные годы до начала и в период испытания опытного объекта колебались в значительных пределах (табл. 1).
Таблица 1
Средние зимние температуры наружного воздуха в г. Якутске, ºС
|
По СП 131.133330.2020 |
Измеренные |
||||||
|
2018–2019 г. |
2019–2020 г. |
2020–2021 г. |
2021–2022 г. |
2022–2023 г. |
2023–2024 г. |
2024–2025 г. |
|
|
-24,6 |
-20,7 |
-20,7 |
-23,8 |
-21,8 |
-23,4 |
-22,2 |
-20,6 |
Источник: составлено авторами на основе [15] и на основе полученных данных в ходе исследования.
Таблица 2
Размеры помещения и характеристики элементов ограждающих конструкций
|
b |
l |
h |
δс |
δ1 |
δ2 |
δ3 |
δ4 |
δ5 |
δ6 |
|
м |
|||||||||
|
9,0 |
12,0 |
3,5 |
0,35 |
0,30 |
0,001 |
0,008 |
0,20 |
0,10 |
10,0 |
|
λ1 |
λ2 |
λ3 |
λ4 |
λ5 |
λ6 |
t2 |
t4 |
v1 |
|
|
Вт/(м·К) |
°С |
м/с |
|||||||
|
0,043 |
0,16 |
0,038 |
1,55 |
0,043 |
2,0 |
-2 |
-3 |
0,2 |
|
|
Sn |
Sc |
Sпол |
Vnом |
Vвоз |
na |
||||
|
м2 |
м3 |
шт. |
|||||||
|
93,8 |
111,7 |
93,8 |
267,3 |
213,8 |
1 |
||||
Источник: составлено авторами на основе полученных данных в ходе исследования.
Таблица 3
Параметры водяных аккумуляторов
|
n, шт. |
ba, м |
ha, м |
la, м |
tgβ |
λл, Вт/(м·К) |
|
8 |
1,5 |
1,8 |
22,0 |
0,014 |
1,72 |
Примечание: β– угол наклона боковых стен аккумулятора; la – суммарная длина аккумуляторов.
Источник: составлено авторами на основе полученных данных в ходе исследования.
Рис. 1. Металлические резервуары – водяные аккумуляторы тепла (ВАТ) Источник: составлено авторами по результатам данного исследования
Среднезимние температуры наружного воздуха во время испытания опытного объекта оказались несколько выше температуры, рекомендуемой справочным пособием [15, с. 3], а колебания их влияют на потери тепла и количество воды для отопления.
В табл. 2 приведены размеры опытного помещения и параметры ограждающих конструкций, в которой индексы 1–3 относятся к элементам перекрытия и стен помещения, а индексы 4–6 – к элементам пола.
В табл. 3 представлены характеристики охлаждающего устройства.
Количество воды в аккумуляторах тепла для отопления помещений V подразделяется по выполняемой функции на основное Vос и вспомогательное Vвс. [14]:
V = Vос + Vвс , (1)
Основное количество воды в процессе кристаллизации в течение отопительного сезона выделяет тепло, которое должно быть равно суммарным потерям тепла из помещения в окружающую среду Q [14], и определяется по формуле
Vос = Q / Qф, (2)
где Qф – объемная теплота кристаллизации воды.
Водяные обогревательные устройства помещений были изготовлены из стальных листов толщиной 3 мм. В опытном помещении (рис. 1) было установлено 8 водяных аккумуляторов трапецеидального поперечного сечения с небольшим углом наклона сторон (tgβ = 0,03), длиной от 1,5 до 3,5 м, общей длиной 22 м, шириной по нижнему основанию 1,5 м, по верхнему– 1,6 м, высотой 1,8 м.
В процессе кристаллизации воды ВАТ большой длины сильно деформируются. В одном аккумуляторе произошел разрыв шва. Поэтому целесообразно изготовлять одинаковые небольшие по размерам аккумуляторы с большим углом наклона боковых стенок. На рис. 2 показан вид сбоку рекомендуемого квадратного в плане аккумулятора.
Объем аккумулятора выражается следующей формулой
(3)
где ha – высота аккумулятор; ba2 – размер по верхнему основанию.
Объем аккумулятора на основании того, что объем воды при кристаллизации увеличивается примерно на 10 %, представляется зависимостью
Va = 1,1Vв , (4)
Объем воды в аккумуляторе определяется формулой
, (5)
где baв – размер аккумулятора на уровне поверхности воды; hв – высота воды в аккумуляторе; ba1 – размеры стороны по нижнему основанию;
Наклон стенок аккумулятора выражается зависимостью
, (6)
. (7)
Размеры baB и hв, а также параметры аккумулятора ba2 и ha определяются по формулам (1)–(5).
Площадь теплообменной поверхности заполненного водой аккумулятора определяется по формуле
(8)
Необходимое количество аккумуляторов, устанавливаемых в помещении, определяется общим количеством воды для отопления помещения и объемом воды одного аккумулятора:
m = V / VB . (9)
Из формул (5) и (6) находим общую площадь теплообменной поверхности всех аккумуляторов предлагаемой конструкции:
. (10)
В экспериментах общая площадь аккумуляторов равна
Saэ = 
(11)
где n = 16.
Рис. 2. Вид рекомендуемого аккумулятора Источник: составлено авторами по результатам данного исследования
Рис. 3. Динамика температур воздуха внутри и снаружи помещения в зимние периоды при различных значениях суммарного объема воды в аккумуляторах (48,5–56,6 м3) Источник: составлено авторами по результатам данного исследования
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 3 представлены графики среднезимних температур воздуха внутри и снаружи помещения. В климатических условиях г. Якутска температуры воздуха снаружи и внутри помещения понижаются с затухающей скоростью примерно до начала ноября, затем остаются практически на одном уровне – температура наружного воздуха – до середины февраля, а температура в помещении – до середины марта и в дальнейшем повышаются, причем температура в помещении достигает 0 ºС несколько позже. Такой характер изменения температуры помещения во второй половине зимы объясняется уменьшением площади поверхности льда, по которой происходит передача тепла из зоны кристаллизации воды в окружающий лед, увеличением толщины и термического сопротивления льда. Температура в помещении зависит от количества воды и изменяется в соответствии с изменением температуры наружного воздуха.
Наибольшие потери тепла происходят через надземные части ограждающих конструкций помещения. Значительные потери тепла связаны также с выездом и заездом транспортных средств. Относительно высокие потери тепла через открытые ворота, очевидно, будут уменьшаться при увеличении размеров помещения в связи с уменьшением степени воздухообмена. Потери тепла могут быть несколько уменьшены повышением термического сопротивления ограждающих конструкций помещения, а также устройством тамбура у ворот.
В табл. 4 приведены расчетные количества потерь тепла из помещения в разные годы с различным количеством воды в аккумуляторах с учетом потерь ее на испарение и сублимации льда.
Таблица 4
Результаты определения количества воды в экспериментах
|
Годы |
t1, ºC |
t2, ºC |
Q, |
V, м3 |
Vос, м3 |
Vвс, м3 |
|
2019–2020 |
-20,7 |
-1,9 |
12961264 |
49,5 |
38,7 |
10,8 |
|
2020–2021 |
-23,8 |
-3,6 |
13513221 |
51,2 |
40,3 |
10,9 |
|
2021–2022 |
-21,27 |
-2,6 |
12672526 |
48,5 |
37,8 |
10,7 |
|
2022–2023 |
-23,4 |
-1,3 |
15287886 |
56,6 |
45,6 |
11,0 |
|
2023–2024 |
-22,2 |
-1,8 |
14046826 |
52,5 |
41,9 |
10,6 |
|
2024–2025 |
-20,6 |
-2,5 |
12395734 |
47,5 |
37,0 |
10,5 |
Источник: составлено авторами на основе полученных данных в ходе исследования.
Рис. 4. График зависимости вспомогательного количества воды от основного количества ее в аккумуляторах. Точками показаны экспериментальные значения Vвс Источник: составлено авторами по результатам данного исследования
Таблица 5
Расчетные параметры экспериментального аккумулятора
|
V, м3 |
ha = V / (bala ), м |
Saэ по формуле (8) |
|
49,5 |
1,50 |
168,0 |
|
51,2 |
1,55 |
171,5 |
|
48,5 |
1,47 |
165,9 |
|
56,6 |
1,73 |
183,7 |
|
52,5 |
1,59 |
174,2 |
|
47,5 |
1,44 |
163,9 |
Источник: составлено авторами на основе полученных данных в ходе исследования.
Рис. 5. Диаграмма температур наружного воздуха и внутри помещения и объемы воды в аккумуляторах в различные годы испытания опытного объекта Источник: составлено авторами по результатам данного исследования
Таблица 6
Расчетные параметры предлагаемого аккумулятора по формулам (3)–(10) при заданных значениях V, Vв = 6,0 м3 ba1 = 1,5, и угол β = 15ºС
|
V, м3 |
baв |
hв |
ba2 |
ha |
m |
Sa |
|
49,5 |
2,40 |
1,60 |
2,41 |
1,70 |
8,3 |
172,2 |
|
51,2 |
8,5 |
178,1 |
||||
|
48,5 |
8,1 |
168,7 |
||||
|
56,6 |
9,4 |
196,9 |
||||
|
52,5 |
8,8 |
182,7 |
||||
|
47,5 |
7,9 |
165,3 |
Источник: составлено авторами на основе полученных данных в ходе исследования.
Количества Vос и Vвс зависят от климатических условий, размеров и термического сопротивления ограждающих конструкций помещения (табл. 4).
Зависимость Vвс, от Vос графически показана на рис. 4, которая выражается линейным уравнением
Vвс = 8,60 + 0,06Vос . (12)
На рис. 5 представлена диаграмма температур наружного воздуха и внутри помещения и объемы воды в аккумуляторах в различные годы испытания опытного объекта.
В табл. 5 приведены расчетные значения параметров экспериментальных аккумуляторов при заданных значениях V, ba = 1,5 м и la = 22,0 м.
В табл. 6 приведены расчетные параметры предлагаемого аккумулятора при заданных значениях Vв = 6,0 м3; ba1 = 1,5 м и β = 15ºС.
На рис. 6 представлены графики зависимости теплообменной поверхности экспериментального и предлагаемого аккумуляторов от объема воды.
Из рис. 6 видно, что при одинаковых объемах воды суммарная теплообменная поверхность аккумулятора предлагаемой конструкции больше, чем у экспериментального аккумулятора.
Рис. 6. Графики зависимости теплообменной поверхности экспериментального и предлагаемого аккумуляторов от объема воды Источник: составлено авторами по результатам данного исследования
Выводы
По итогам исследования сделаны следующие выводы:
– относительно широкий диапазон колебаний средних значений температуры наружного воздуха приводит к различным потерям тепла и, соответственно, к разным количествам воды для отопления помещения;
– характер изменения температуры в помещении в зимнее время соответствует изменениям температуры наружного воздуха, повторяя кратковременные ее колебания;
– температура в помещении понижается примерно до начала ноября, затем она с небольшими колебаниями остается постоянной до середины апреля и в дальнейшем повышается с меньшей скоростью, чем наружная температура вследствие уменьшения площади теплообмена на границе вода – лед и увеличения термического сопротивления льда;
– основное количество воды в аккумуляторах, определяемое расчетным путем по суммарной величине потерь тепла из помещения в окружающую среду, зависит от климатических условий площадки расположения объекта, размеров и термического сопротивления ограждающих конструкций заданной температуры помещения;
– вспомогательное количество воды в аккумуляторах, от которого зависит площадь кристаллизации воды, термическое сопротивление льда и соответственно температура в помещении, линейно возрастает с увеличением основного количества воды;
– для уменьшения давления и снижения деформации аккумуляторов, возникающих при кристаллизации воды с увеличением ее объема, целесообразно изготовлять их небольшими по размерам и с большим наклоном стенок;
– аккумуляторы заполняются водой с учетом увеличения ее объема при кристаллизации примерно на 10 %.
Длительными испытаниями опытного объекта установлена возможность практического использования теплоты фазовых переходов воды, являющейся возобновляемым источником энергии для обогрева и даже отопления некоторых видов помещений на большей части территории России. Необходимое количество воды для обогрева помещений до высоких отрицательных температур, близких к 0 ºС, зависит от климатических условий, размеров и термического сопротивления ограждающих конструкций и режима эксплуатации помещения.