Применение аккумуляторов холода непосредственного контакта сред в системах кондиционирования воздуха

Введение. Выдвинуто предложение использовать аккумуляторы холода для обработки воздуха в системах кондиционирования воздуха (СКВ) зданий и сооружений с целью снижения нагрузки на холодильную машину в пиковых режимах работы, а также для выравнивания нагрузки на оборудование. Проанализирован ряд источников, подтверждающих актуальность исследования и детально освещающих данную тему.

Материалы и методы. Предложены две схемы аккумулятора холода на базе непосредственного контакта сред, а также построены математические модели процесса кристаллизации и аккумуляции. Рассчитаны параметры работы холодильной машины в составе СКВ, проведена оптимизация энергопотребления СКВ методом множителей Лагранжа.

Результаты. Для аккумулирования холода преимущественно рассматривались жидкие среды, прежде всего, растворы солей и фреоны. Анализ источников показал, что аккумуляторы холода с непосредственным контактом сред являются эффективной и перспективной технологией для повышения энергетической эффективности систем хладо-снабжения зданий и сооружений. На базе этого выполнен подробный расчет аккумулятора. Построена математическая модель процесса кристаллизации раствора при аккумулировании льда и рассчитаны параметры аккумулятора и холодильной машины. Исследованы две схемы технологии аккумуляции холода в системе холодильной машины СКВ — по способу раздельного получения льда и эжекторная схема. Полученные результаты моделирования показали, что применение новых технологий аккумуляции холода в системах СКВ позволяет снизить энергозатраты на эксплуатацию на 20–30 % и уменьшить первичные капиталовложения. Этот эффект достигается за счет снижения нагрузки на холодильное оборудование при пиковых режимах работы.

Выводы. Полученные данные показали, что предложенные решения аккумулирования холода обладают меньшими энергозатратами по сравнению с аналогами на 20–30 %, а также способны повышать эффективность СКВ.

1. Кузнецов П.А. Повышение эффективности систем кондиционирования воздуха на основе аккумулирования низкотемпературной энергии : дис. … канд. техн. наук. СПб., 2021. 221 с. EDN LMWSGW.

2. Fathoni A.M., Putra N., Mahlia T.M.I. A systematic review of battery thermal management systems based on heat pipes // Journal of Energy Storage. 2023. Vol. 73. P. 109081. DOI: 10.1016/j.est.2023.109081

3. Tashtoush B., Qaseem H. An integrated absorption cooling technology with thermoelectric generator powered by solar energy // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2022. Vol. 147. Issue 2. Pp. 1547–1559. DOI: 10.1007/s10973-020-10512-5

4. Парфенов С.Г., Азаркина С.М. Развитие энерго-эффективного строительства в Брянской области // Инновации в строительстве – 2022 : мат. Междунар. науч.-практ. конф. 2022. С. 93–95. EDN THTUOM.

5. Окуренков А.О., Морозенко Г.К., Филиппов И.А., Малай А.В. Современные тенденции в проектировании систем теплогазоснабжения и вентиляции // Перспективы науки. 2020. № 3 (126). С. 44–46. EDN YIWPLO.

6. Ding Z., Wu W., Leung M. Advanced/hybrid thermal energy storage technology: material, cycle, system and perspective // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. Vol. 145. P. 111088. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111088

7. Purandare A.S., van Lohuizen S.W., Spijkers R.M.A., Vanapalli S. Experimental and numerical study of insulation packages containing dry ice pellets // Applied Thermal Engineering. 2021. Vol. 186. P. 116486. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2020.116486

8. He T., Lv H., Shao Z., Zhang J., Xing X., Ma H. Cascade utilization of LNG cold energy by integrating cryogenic energy storage, organic Rankine cycle and direct cooling // Applied Energy. 2020. Vol. 277. P. 115570. DOI: 10.1016/j.apenergy.2020.115570

9. Саитбаталов М.В. Теплогидравлическая эффективность процессов охлаждения газов и жидкостей при непосредственном контакте фаз в пленочном режиме теплообменных установок : дис. … канд. техн. наук. Казань, 2014. 270 с.

10. Плотников В.Т. Разделительные вымораживающие установки. М. : Агропромиздат, 1987. 352 с.

11. Бурдо О.Г., Терзиев С.Г., Мордынский В.П., Сиротюк И.В., Фатеева Я.А. Многофункциональное оборудование для низкотемпературного разделения пищевых растворов на основе эффекта «термического парадокса» // Проблемы региональной энергетики. 2022. № 1 (53). С. 42–58. DOI: 10.52254/1857-0070.2022.1-53.04. EDN UJEPQL.

12. Попель О.С., Фрид С.Е., Тарасенко А.Б., Чернявский А.А. Анализ эффективности практического использования систем сезонного аккумулирования природного холода // Вестник Дагестанского научного центра РАН. 2013. № 49. С. 19–26. EDN RVKCQD.

13. Синицын В.И., Шуршакова Е.В. Современные тенденции в проектировании систем теплогазо-снабжения и вентиляции // Экология и строительство. 2015. № 4. С. 15–17. EDN VJSOWZ.

14. Stritih U., Butala V. RETRACTED: Experimental investigation of energy saving in buildings with PCM cold storage // International Journal of Refrige-ration. 2010. Vol. 33. Issue 8. Pp. 1676–1683. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2010.07.017

15. Souayfane F., Fardoun F., Biwole P.H. Phase change materials (PCM) for cooling applications in buildings : а review // Energy and Buildings. 2016. Vol. 129. Pp. 396–431. DOI: 10.1016/j.enbuild.2016.04.006

16. Jouhara H., Żabnieńska-Góra A., Khordehgah N., Ahmad D., Lipinski T. Latent thermal energy storage technologies and applications : a review // International Journal of Thermofluids. 2020. Vol. 5–6. P. 100039. DOI: 10.1016/j.ijft.2020.100039

17. Vakiloroaya V., Samali B., Fakhar A., Pishghadam K. A review of different strategies for HVAC energy saving // Energy Conversion and Management. 2014. Vol. 77. Pp. 738–754. DOI: 10.1016/j.enconman.2013.10.023

18. Cui B., Gao D., Wang S., Xue X. Effectiveness and life-cycle cost-benefit analysis of active cold storages for building demand management for smart grid applications // Applied Energy. 2015. Vol. 147. Pp. 523–535. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.03.041

19. Rahgozar S., Dehghan M., Pourrajabian A., Haghgou H. Economic feasibility of ice storage systems for office building applications : а climate sensitivity analysis // Journal of Energy Storage. 2022. Vol. 45. P. 103712. DOI: 10.1016/j.est.2021.103712

20. Shaibani A.R., Keshtkar M.M., Sardari P.T. Thermo-economic analysis of a cold storage system in full and partial modes with two different scenarios : a case study // Journal of Energy Storage. 2019. Vol. 24. P. 100783. DOI: 10.1016/j.est.2019.100783

21. Gao E., Zhang Z., Deng Q., Jing H., Wang X., Zhang X. Techno-economic and environmental analysis of low-GWP alternative refrigerants in cold storage unit under year-round working conditions // International Journal of Refrigeration. 2022. Vol. 134. Pp. 197–206. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2021.11.007

22. Piette M.A. Analysis of a commercial ice-storage system: Design principles and measured performance // Energy and Buildings. 1990. Vol. 14. Issue 4. Pp. 337–350. DOI: 10.1016/0378-7788(90)90096-2

23. Song X., Liu L., Zhu T., Chen S., Cao Z. Study of economic feasibility of a compound cool thermal storage system combining chilled water storage and ice storage // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 133. Pp. 613–621. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.01.063

24. Birkea F.M.O., Almarashi A., AL-bonsrulah H.A.Z., Saif Aldien M., Makkawi A.H., Mohamed S.M.Y. Improvement of cold storage efficiency with loading hybrid nanoparticles and utilizing porous media // Case Studies in Thermal Engineering. 2024. Vol. 61. P. 104885. DOI: 10.1016/j.csite.2024.104885

25. Ismail M., Zahra W.K., Ookawara S., Hassan H. Enhancing the air conditioning unit performance via energy storage of different inorganic phase change materials with hybrid nanoparticles // JOM. 2023. Vol. 75. Issue 3. Pp. 739–753. DOI: 10.1007/s11837-022-05629-x

26. Патент RU № 2766952 C1, МПК F25D 3/00. Способ аккумулирования холода и устройство для его осуществления / Семенов А.Е., Андреев А.И.; заявитель Астраханский государственный технический университет; заявл. № 2021124868 от 23.08.2021; опубл. 16.03.2022.

27. Патент RU № 2808128 C1, МПК F25D 3/00. Способ аккумулирования холода / Семенов А.Е., Андреев А.И.; заявитель Астраханский государственный технический университет; заявл. № 2022133884 от 22.12.2022; опубл. 23.11.2023.

28. Букин В.Г., Андреев А.И., Букин А.В. Гидравлическое сопротивление при кипении хладагентов в трубах горизонтальных и вертикальных испарителей судовых холодильных машин // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2020. № 2. С. 92–99. DOI: 10.24143/2073-1574-2020-2-92-99. EDN IQLSKR.

29. Bell I.H., Ziviani D., Lemort V., Bradshaw C.R., Mathison M., Horton W.T. et al. PDSim: A general quasi-steady modeling approach for positive displacement compressors and expanders // International Journal of Refrigeration. 2020. Vol. 110. Pp. 310–322. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2019.09.002

30. Zhang Y., Su L., Dong K., Liu T. Experimental study of ice slurry production system using direct contact heat transfer of RC318 and water in a horizontal pipe // Energy Procedia. 2019. Vol. 158. Pp. 4495–4501. DOI: 10.1016/j.egypro.2019.01.762