APPLICATION OF ENERGY-EFFICIENT ICE-ACCURACKING TECHNOLOGIES IN AIR CONDITIONING SYSTEMS

An analytical model for the flow of heat carrier in natural-circulation (thermosiphon) solar water heaters is presented. A differential equation for the flow velocity   is derived, accounting for the gravitational driving head due to density differences between hot and cold...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2025
Автори: Korbut , V., Rybachov , S.
Формат: Стаття
Мова:Українська
Опубліковано: Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2025
Теми:
Онлайн доступ:https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/566
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Vidnovluvana energetika
Завантажити файл: Pdf

Репозитарії

Vidnovluvana energetika
_version_ 1871104006353321984
author Korbut , V.
Rybachov , S.
author_facet Korbut , V.
Rybachov , S.
author_institution_txt_mv [ { "author": "V. Korbut ", "institution": "Kyiv National University of Constructions and Architecture, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "S. Rybachov ", "institution": "Kyiv National University of Constructions and Architecture, Kyiv, Ukraine" } ]
author_sort Korbut , V.
baseUrl_str https://ve.org.ua/index.php/journal/oai
collection OJS
datestamp_date 2026-07-18T06:32:23Z
description An analytical model for the flow of heat carrier in natural-circulation (thermosiphon) solar water heaters is presented. A differential equation for the flow velocity   is derived, accounting for the gravitational driving head due to density differences between hot and cold fluid and for hydraulic losses (friction and local resistances). The time evolution of the temperature difference   between the heated and cold sections of the loop is characterized and described by a generalized gamma-like function with a controllable peak. Using the derived model, the unsteady velocity and volumetric flow rate of the circulating fluid are simulated numerically. Graphs of   are provided, as well as a surface   illustrating the relationship between flow rate, time, and temperature head. The conclusions highlight the scientific novelty of the results, their practical significance for designing efficient thermosyphon solar heaters, and directions for further research, including accounting for nonlinear fluid properties and system optimization. 
doi_str_mv 10.36296/1819-8058.2025.3(82).218-225
first_indexed 2025-10-01T01:30:55Z
format Article
fulltext 218 Відновлювана енергетика. № 3/2025 |Геотермальна енергетика УДК 504.06:552.11:697.7 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2025.3(82).218-225 ЗАСТОСУВАННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНИХ ЛЬОДОАКУМУЛЮЮЧИХ ТЕХНОЛОГІЙ У СИСТЕМАХ КОНДИЦІОНУВАННЯ ПОВІТРЯ Отримано 16 трав. 2025 р.; рекомендовано до публікації 22 вер. 2025 р. Доступно онлайн 30 вер. 2025 р. Корбут В. П.¹, Рибачов С. Г.² Автор для кореспонденції: Рибачов Сергій, e-mail: 9599770@i.ua Розглянуто результати досліджень природного та шту- чного утворення льодового масиву для холодопоста- чання систем кондиціонування повітря (СКП). З огляду на географічні широти України практичні проро- бки підтверджують можливість використання намерзання льодового масиву природним способом у холодну пору року з подальшим використанням його в інші періоди року. Для мінімізації танення льоду і забезпечення ефективного використання холоду із застосуванням льодоакумуляторних систем послу- говуються декількома методами його захисту. Дослідження нестаціонарних тепломасообмінних процесів, які протікають у системі «повітря – вода – лід» з урахуванням конвективно-променевої теплоти, а також теплоти випаровування, підтверджу- ють ефективність зберігання льодового масиву під шаром талої води в суміші з природними опадами та водяної пари, що конденсується. Таке рішення дозволяє зменшити швидкість танення в 3…5 разів залежно від терміну зберігання, а в разі збільшення товщини талої води зменшується кількість тепла, яка надходить у цю систему під впливом зовнішніх факторів. Розглянуто питання можливого використання штучних льодоакумуляторних систем охолодження в СКП у теплий період року. Застосування таких енергоефективних технологій дає змогу накопичувати холод в акумуляторах льоду під час періодів низького енергоспоживання і нижчих температур зовніш- нього повітря (наприклад, вночі) та використовувати його для охолодження в години пікового наван- таження. Наведено принципові схеми часткового зберігання холоду в баках-акумуляторах, що дозволяє змен- шити споживання електроенергії на 5...7 % за номінальної холодопродуктивності залежно від констру- кції конденсатора і типу компресорів. Ключові слова: коефіцієнт енергоефективності, льодоакумуляторні технології, природний льодовий масив, градирні, нестаціонарні теплообмінні процеси, холодопродуктивність льодового масиву, конве- ктивна теплота, сонячна радіація, холодильна машина, бак-акумулятор холоду, цикли замерзання-ро- змерзання, прихована теплота льодоутворення. APPLICATION OF ENERGY-EFFICIENT ICE-ACCURACKING TECHNOLOGIES IN AIR CONDITIONING SYSTEMS Received May. 16, 2025; accepted Sept. 22, 2025 Available online Sept. 30, 2025 Korbut V.¹, Rybachov S.² Author for correspondence: Rybachov Sergey, e-mail: 9599770@i.ua Abstract. An analytical model for the flow of heat carrier in natural-circulation (thermosiphon) solar water heaters is pre- sented. A differential equation for the flow velocity is derived, accounting for the gravitational driving head due 1 д-р. техн. наук, професор http://orcid.org/0000-0002-0831-2477 2 канд. техн. наук, доцент http://orcid.org/0000-0002-0093-9750 1, 2 Київський національний університет будівництва і архітектури, м. Київ, Україна 1 Dr. of Tech.Science http://orcid.org/0000-0002-0831-2477 2 Cand. of Tech.Science http://orcid.org/0000-0002-0093-9750 1, 2 Kyiv National University of Constructions and Architecture, Kyiv, Ukraine 219 Відновлювана енергетика. № 3/2025 |Геотермальна енергетика to density differences between hot and cold fluid and for hydraulic losses (friction and local resistances). The time evolution of the temperature difference between the heated and cold sections of the loop is characterized and described by a generalized gamma-like function with a controllable peak. Using the derived model, the unsteady velocity and volumetric flow rate of the circulating fluid are simulated numerically. Graphs of are provided, as well as a surface illustrating the relationship between flow rate, time, and temperature head. The conclusions highlight the scientific novelty of the results, their practical significance for designing efficient thermosyphon solar heaters, and directions for further research, including accounting for nonlinear fluid properties and system opti- mization. Keywords: renewable energy sources, solar radiation energy, natural circulation, solar water heater, flow rate, temperature head. Вступ Системи формування комфортного або технологічного мікроклімату – доволі затратна стаття загального бю- джету як під час будівництва, так і експлуатації споруд різного призначення. Так, для виробничих споруд на си- стеми кондиціонування повітря (СКП) припадає 15…20 % капітальних вкладень (для деяких спецтехно- логій і до 40 %), а в загальному енергетичному балансі витрати на системи формування мікроклімату станов- лять понад 30 % витрат на енергозабезпечення споруд. Енергоекологоефективні технології, які слід впроваджу- вати під час створення внутрішніх мікрокліматичних умов, оцінюються сезонним коефіцієнтом енергоефек- тивності (SEER), що характеризує середню ефективність роботи системи охолодження протягом усього охоло- джувального сезону [2, 3]. Цей показник визначається як відношення загальної кількості теплової енергії, від- веденої системою в режимі охолодження протягом пе- вного періоду часу, до загальної електричної енергії, спожитої за цей період. Ефективність роботи облад- нання (кондиціонери, холодильні машини, теплові на- соси) у режимі охолодження також оцінюється коефіці- єнтом енергоефективності (EER), який визначається як відношення продуктивності холодильного обладнання до витрат електроенергії для цього охолодження [2, 3]. Показник перетворення електричної енергії на енергію асиміляції теплоти приміщення або технологій для су- часних холодильних процесів з водяним охолодженням конденсаторів, де джерелом холоду є пристрій контакт- ної дії з процесами випарного охолодження води (гра- дирні, кондиціонери-градирні, бризгальні басейни тощо), перебуває на рівні до 4 одиниць. Збільшення зна- чення (EER) для СКП можливо при застосуванні процесів отримання додаткових джерел холоду з утворенням льодового масиву природним або штучним шляхом. Природним способом лід утворюється намерзанням води з використанням інтенсивних технологій за від’єм- них температур зовнішнього повітря, а штучним шля- хом – з використанням холодильних машин, які працю- ють в економному температурному тарифному нічному режимі. Природне намерзання масиву льоду і його зберігання до початку роботи систем кондиціонування повітря (СКП) може бути реалізовано відповідно до кліматичних умов України. Практичні проробки підтверджують мож- ливу висоту намерзання товщини льоду до 0,5 см за добу на кожний градус від’ємних температур. На 30 % території України можлива розрахункова висота намер- зання становить до 2,0 м (в разі виконанні заходів із за- хисту від танення на період зберігання). Використання талої води з температурою 1...2 °C у системі зворотного водопостачання з градирнями для конденсаторів холо- дильних машин у теплий період з витратою 7... 10 % за- гальної витрати (компенсація на випарювання води) дає змогу знизити температуру охолоджувальної води на 2,5...3,0 °С і, відповідно, зменшити споживання електро- енергії на 5...7 % за номінальної холодопродуктивності залежно від конструкції конденсатора і типу компресо- рів. Технології штучного намерзання, зберігання і викорис- тання льодового масиву передбачають перемикання роботи штатних холодильних машин для акумулювання холоду в умовах знижених температур зовнішнього по- вітря та за економічним нічним тарифом електропоста- чання. Це дозволяє в проєктних режимах використову- вати додатковий холод для зниження температури холодоносія в баку-акумуляторі і, відповідно, зменшу- вати добові пікові теплові та електричні навантаження на СКП. Мета роботи полягає в дослідженні систем, що викори- стовують природне або штучне утворення льодового масиву для холодопостачання систем кондиціонування повітря. Існують різні методи захисту природно намороженого льоду від танення. На наш погляд, найраціональніше та найефективніше створювати масиви льоду нижче при- родного рівня землі. У разі такого рішення на поверхні льоду при його зберіганні до періоду використання в те- плий періоду року утворюється шар талої води та при- родних опадів у суміші з водяною парою, що конденсу- валась. Розглянемо тепломасообмінні процеси, які протікають у взаємозв’язаній вертикальній системі «повітря – вода – лід». Ці процеси нестаціонарні, оскільки танення льоду змінює висоту рівня води, що своєю чергою зменшує на- дходження теплоти через кондукцію з верхнього шару води до поверхні льоду і відповідно зменшується швид- кість танення. 220 Відновлювана енергетика. № 3/2025 |Геотермальна енергетика У природних водоймах профілі температур відповіда- ють прямій температурній стратифікації з виділенням трьох характерних зон: верхня – найбільше тепла, сере- дня – з різкою зміною температур, нижня – з повільним зниженням температур. З огляду на це нижня зона є найприйнятнішою для зберігання льоду. Крім того, дже- рело холоду стабілізує пряму стратифікацію і зменшує вертикальний рух води, що зі свого боку зменшує над- ходження конвективної теплоти в нижню зону й та- нення льоду. Враховуючи, що при 𝑡𝑤 ≤ +4 °𝐶 густина води зменшується, утворюється шар циркуляційних те- чій (0 °𝐶 ≤ 𝑡𝑤 ≤ +7 °𝐶) . Граничні умови в системі такі: температура поверхні води встановлюється на рівні температури мокрого тер- мометра повітря 𝑡𝑜𝑑𝑎 м , температура поверхні льоду 𝑡𝑖𝑐𝑒 = 0°𝐶. qk qср gпrп tice=0°C Повітря qk qср gпrп Повітря Лід tODA Вода tice=0°C tw=+4°C tice=0°C Лід а) b) tODA tice=0°C tw=+4°C Рис. 1. Фізична модель процесів, що протікають в сис- темі «повітря – вода – лід»: a) початковий момент; б) поточний момент. Fig. 1. Physical model of processes occurring in the “air – water – ice” system: a) initial moment; b) current moment. Рівняння теплових потоків у системі (рис. 1) у загаль- ному вигляді: 𝑞ℎ𝑖𝑑 + 𝑞𝑐𝑜𝑛𝑣 + 𝑞𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 𝑞𝑐𝑜𝑙𝑑 , (1) де 𝑞𝑐𝑜𝑙𝑑– кількість холоду, що утворюється під час та- нення льоду (холодопродуктивність льодового масиву), Вт/м²; 𝑞ℎ𝑖𝑑 – прихована теплота випаровування під час конден- сації водяної пари з повітря при контакті з поверхнею води, Вт/м²; 𝑞𝑐𝑜𝑛𝑣 , 𝑞𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 – відповідно, теплота, яка надходить у сис- тему конвекції та за рахунок сонячної радіації, Вт/м²; Прихована теплота випаровування, що надходить у сис- тему: 𝑞ℎ𝑖𝑑 = 0,278𝑔𝑠𝑡 · 𝑟𝑠𝑡 Вт/м², (2) де 𝑔𝑠𝑡 – кількість водяної пари, що сконденсувалась, кг/год·м²; 𝑟𝑠𝑡 – прихована теплота пароутворення, 𝑟𝑠𝑡= 205,3 кДж/кг. Парціальний тиск пари в повітрі вище парціального ти- ску безпосередньо над поверхнею, тому що темпера- тура поверхні 𝑡𝑠𝑢𝑟𝑓 нижча за температуру повітря 𝑡𝑜𝑑𝑎 і точки роси 𝑡𝑑𝑒𝑤 (𝑡𝑑𝑒𝑤 > 𝑡𝑠𝑢𝑟𝑓 < 𝑡𝑜𝑑𝑎). Відповідно, потік пари направлено з оточуючого повітря до поверхні (в початковий момент часу до холодної поверхні льоду (𝑡𝑑𝑒𝑤 = 𝑡𝑖𝑐𝑒), і при контакті з нею утворюється конденсат з виділенням теплоти випаровування. Розглянемо критеріальні залежності, які характеризу- ють тепломасообмінні процеси на горизонтальній пове- рхні за умов вимушеної конвекції [4], оскільки темпера- тура розвинутої поверхні 𝑡𝑠𝑢𝑟𝑓 < 𝑡𝑜𝑑𝑎, і мають місце вітрові потоки при 𝑅𝑒 = 2.2 ∙ 104 … 3,15 ∙ 105. 𝑁𝑢´ = 0,248 (𝑅𝑒)0,9 ∙ (𝑃𝑟´)0,33 ∙ (𝐺𝑢)0,135 ∙ (Ɵ)2, (3) де 𝑁𝑢´ – дифузійний критерій Нусельта: 𝑁𝑢´ = 𝛽∙𝑙 𝐷 , (4) де 𝛽 – коефіцієнт масообміну, м/год; 𝑙 = √𝐹 – характерний розмір, м; 𝐹 – площа тепломасообмінної поверхні, м. Коефіцієнт дифузії: 𝐷 = 0,0754( 𝑇 273 )1,89 ∙ 101,3 Рb𝑎𝑟 , (5) де Рb𝑎𝑟 – барометричний тиск, кПа; Дифузійний критерій Прандтля: 𝑃𝑟´ = 𝛾 𝐷 , (6) де 𝛾 – коефіцієнт кінематичної в’язкості, м²/с. Критерій Рейнольдса: 𝑅𝑒 = 𝑣∙𝑙 𝛾 (7) Критерій Гухмана: 𝐺𝑢 = (𝑇𝑜𝑑𝑎 − 𝑇𝑜𝑑𝑎 м )/𝑇𝑜𝑑𝑎 (8) Температурний фактор: Ɵ = 𝑇𝑜𝑑𝑎/𝑇𝑣𝑎𝑝 (9) Розрахунок коефіцієнта масообміну виконується за фо- рмулою (3) і знаходиться кількість водяної пари, що кон- денсувалася, кг/год·м²: 𝑔𝑣𝑎𝑝 = 𝑁𝑢´ 𝐷´ 𝑙 (𝑃𝑜𝑑𝑎 − 𝑃𝑣𝑎𝑝) 1 𝑔 , (10) де 𝐷´ – коефіцієнт дифузії, який віднесено до градієнта парціального тиску, м²/год·Па; 𝑃𝑜𝑑𝑎 , 𝑃𝑣𝑎𝑝 – парціальний тиск випаровуючого середо- вища та на поверхні, Па. Конвективна теплота, що надходить у систему: 𝑞c𝑜𝑛𝑣 = 𝛼c(𝑡𝑜𝑑𝑎 − 𝑡v𝑎𝑝) (11) де 𝛼c – коефіцієнт конвективного теплообміну, Вт/м²·°С. 221 Відновлювана енергетика. № 3/2025 |Геотермальна енергетика Для визначення середнього коефіцієнта теплообміну можливо застосування критеріального рівня 𝑁𝑢 = 𝑓(𝑅𝑒) для теплообміну при обтіканні горизонтальної поверхні потоком повітря в турбулентному режимі: 𝑁𝑢 = 0,032 ∙ 𝑅𝑒0,2, (12) де 𝑁𝑢 – термічний критерій Нусельта: 𝑁𝑢 = 𝛼𝑐 ∙ 𝑙/𝜆, (13) де 𝜆 – коефіцієнт теплопровідності, Вт/м·°С. У визначених границях критерію 𝑅𝑒 точнішого значення 𝛼𝑐 можна досягти за критеріальним рівнянням для ви- падку теплообміну, що ускладнено тепломасообміном [9]: 𝑁𝑢 = 0,027 (𝑅𝑒)0,9 ∙ (𝑃𝑟)0,33 ∙ (𝐺𝑢)0,175 ∙ (Ɵ)2, (14) де 𝑃𝑟 – термічний критерій Прандтля: 𝑃𝑟 = 𝛾/𝑎. (15) Теплота, яка надходить від сонячної радіації в систему «повітря – вод – лід» визначається на основі процесів променевого теплообміну. Сонячне випромінювання є основним фактором формування теплового режиму шару води і, відповідно, за законом збереження енергії теплового випромінювання рівняння теплового балансу має вигляд: 𝐸𝑠𝑢𝑟𝑓 − 𝐸𝑤 = (𝐸refl)𝑤 + (𝐸𝑎𝑏𝑠)𝑤 + (𝐸pass) 𝑤 , (16) де 𝐸𝑠𝑢𝑟𝑓 – густина потоку променевої енергії, що потра- пляє на поверхню, Вт/м²; 𝐸𝑤 – густина потоку власної променевої енергії води, Вт/м²: 𝐸𝑤 = 𝜀𝑤 · С0 [( 𝑇𝑤 100 ) 4 − ( 𝑇𝑜𝑑𝑎 100 ) 4 ] (17) де 𝜀𝑤 = 0,95 … 0,963 – ступінь чорноти поверхні води; С0 = 5,67 – коефіцієнт випромінювання абсолютно чор- ного тіла, Вт/м²к4. Величина 𝐸𝑤 враховується тільки за умови 𝑡𝑤 > 𝑡𝑜𝑑𝑎. Густина потоку променевої енергії, що відбивається від поверхні води, Вт/м²: (𝐸refl)𝑤 = 𝑅𝑤 ∙ 𝐸surf, (18) 𝑅𝑤 = 0,037 … 0,05 Густина потоку променевої енергії, що поглинається во- дою, Вт/м²: (𝐸𝑎𝑏𝑠)𝑤 = А𝑤 ∙ 𝐸𝑠𝑢𝑟𝑓 , (19) де А𝑤 – інтегральна поглинальна здатність А𝑤 = 0,95 … 0,963; (𝐸pass) 𝑤 – густина потоку випромінювання, що пропус- кається водою. (𝐸refl)𝑤 = (𝐸refl)𝑖𝑐𝑒 + (𝐸𝑎𝑏𝑠)𝑖𝑐𝑒 , (20) де (𝐸від) 𝑖𝑐𝑒 , (𝐸𝑎𝑏𝑠)𝑖𝑐𝑒 – відповідно, густина променевої енергії, що відбивається і поглинається для льоду, Вт/м² (при А𝑤 = 0,95 … 0,98) Крім того: (𝐸pass) 𝑤 = 𝐷𝑤 ∙ 𝐸surf , (21) де 𝐷𝑤 – інтегральна пропускна здатність води; Враховуючи, що вода для теплових променів практично непрозора (атермічна), то 𝐷𝑤 = 0 і (𝐸pass) 𝑤 = 0. Отже, за наявності шару води на поверхні льоду проме- нева теплота не надходить до поверхні льоду і не впливає на тепловий баланс на границі «вода – лід» (рис. 1, b) Згідно з формулами (16) – (19) променева теплота, що потрапляє на поверхню води, здебільшого витрачається на нагрівання води і передається до поверхні льоду кон- дукцією. Окрім того, на відбивну і поглинальну власти- вість води, тобто на значення (𝐸refl)𝑤 та (𝐸𝑎𝑏𝑠)𝑤, впли- ває ступінь шорсткості води. Таким чином, враховуючи розподілення променевої енергії в систему «повітря – вода – лід» (див. рис. 1) кі- лькість теплоти, що потрапляє від сонячної радіації, до- рівнює: 𝑞𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = (𝐸𝑎𝑏𝑠)𝑤 = 𝐴𝑤 ∙ 𝐸surf = (0,95 … 0,963) ∙ 𝐸s𝑢𝑟𝑓 (22) Розглянемо особливості танення льоду в системі «пові- тря – вода – лід» з визначенням холодопродуктивності льодового масиву: 𝑞𝑐𝑜𝑙𝑑 = 0,278 ∙ 𝑔𝑖𝑐𝑒 ∙ 𝑟𝑖𝑐𝑒 , (23) де 𝑔𝑖𝑐𝑒 – витрата льоду, що розморожується, кг/год м²; 𝑟𝑖𝑐𝑒 – прихована теплота плавлення льоду, 𝑟𝑖𝑐𝑒= 333,98 кДж/кг. Надходження на поверхню льоду теплоти сонячної ра- діації при різниці температур повітря та поверхні льоду визначається за умовами теплопередачі: 𝑞𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 1 𝑅0 (𝑡𝑜𝑑𝑎 ум − 𝑡𝑖𝑐𝑒), (24) де 𝑅0 – опір теплопередачі: 𝑅0 = 1 (𝛼с)𝑜𝑑𝑎 + 𝛿𝑤 𝜆𝑤 + 1 (𝛼𝑐)𝑤 , (25) де (𝛼с)𝑜𝑑𝑎 – коефіцієнт конвективного теплообміну між повітрям і шаром води, Вт/м²°С, визначається за форму- лами (12) та (13), а з урахуванням масообміну – за фор- мулою (14); (𝛼𝑐)𝑤 – коефіцієнт конвективного теплообміну між во- дою і поверхнею льоду Вт/м²°С, визначається за крите- ріальною залежністю для умов вільної конвекції. 𝑁𝑢 = 0,135 (𝐺𝑟 · 𝑃𝑟)0,33 𝑤 (26) відповідно: (𝛼𝑐)𝑤 = 𝜆𝑤 · 𝑁𝑢𝑤/𝑙 (27) 𝐺𝑟𝑤 – критерій Грасгофа для води: 222 Відновлювана енергетика. № 3/2025 |Геотермальна енергетика 𝐺𝑟𝑤 = 𝑔∙𝛽∙(𝑡𝑤̅̅ ̅̅ −𝑡𝑖𝑐𝑒)∙𝑙3 𝛾2 (28) 𝑡𝑤̅̅ ̅ = 0,5(𝑡𝑠𝑢𝑟𝑓 − (𝑡𝑤)𝑖𝑐𝑒 – середня температура води, °С; 𝑡𝑖𝑐𝑒 – температура на поверхні льоду, приймається 𝑡𝑖𝑐𝑒 = 0 °С; (𝑡𝑤)𝑖𝑐𝑒 – температура води на границі з льодом, °С; 𝛿𝑤 – товщина шару води в поточний момент, м; 𝜆𝑤 – коефіцієнт теплопровідності води, Вт/м²°С; 𝑡𝑜𝑑𝑎 ум – умовна середньодобова температура зовніш- нього повітря з урахуванням сонячного випроміню- вання («сонячна повітряна температура»), °С 𝑡𝑜𝑑𝑎 ум = 𝑡𝑜𝑑𝑎 + (𝐸𝑎𝑏𝑠)𝑤 (𝛼с)𝑜𝑑𝑎 (29) або з урахуванням формули (19): 𝑡𝑜𝑑𝑎 ум = 𝑡𝑜𝑑𝑎 + (0,95…0,963)∙𝐸surf (𝛼с)𝑜𝑑𝑎 (30) Розрахунки, що виконані за наведеними залежностями, підтверджують можливість зберігання пласту льоду під шаром води зі значно більшою ефективністю порівняно з іншими методами зберігання при намерзанні бло- ками. Така система «повітря – вода – лід» зменшує шви- дкість танення в 3…5 разів залежно від терміну збері- гання. При цьому зі збільшенням товщини талої води зменшується кількість тепла, яка надходить у цю сис- тему під впливом зовнішніх факторів (температура пові- тря, конденсація пари, сонячна радіація) і відповідно знижується швидкість танення льоду. Швидкість танення 𝑔𝑖𝑐𝑒 і товщина шару води 𝛿𝑤 визна- чається на основі розрахунків тепломасообмінних про- цесів з урахуванням перемінної величини 𝛿𝑤 у визна- чені періоди. Для збільшення значення коефіцієнта енергоефектив- ності (EER) перспективними є також вдосконалені техно- логії штучного намерзання зберігання льоду і викорис- тання талої води в періоди максимальних добових теплових навантажень (відповідно і електричних) СКП. Під час проєктування СКП навантаження для охолодження приймається на весь період роботи (рис. 2, а) тобто 10 год. Фактично СКП не працюють на 100 % потужності в повному циклі охолодження протягом дня. Пікові навантаження по- чинаються орієнтовно з 14:00 до 16:00 за максимальних температур зовнішнього повітря. На графіку (рис. 2, б) показано навантаження при викори- станні «типового» рішення влаштування СКП на охоло- дження повітря в приміщенні за добу. Як видно, повна потужність холодильної машини в циклі охолодження потрібна лише на термін до двох годин на добу. Протягом інших восьми годин роботи холодильна ма- шина споживає менше холоду, ніж та його кількість, на яку розрахована СКП (працює в режимі 70…75 % номіна- льної потужності). Проте до установки приймається холо- дильна машина з розрахунку 100 % навантаження, тільки щоб забезпечити роботу двох годин на охолодження. 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Q,% Q,% Q,% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2 Qном Qном а) б) в) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Q,% Q,% Q,% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2 Qном Qном а) б) в) Рис. 2. Добовий графік роботи та потужності холоди- льної машини: а) – фактична потужність встановленої машини холоду; б) – реальний графік роботи встановле- ної холодильної машини; в) – графік роботи холодильної машини при використанні акумуляторів холоду Fig. 2. Daily schedule of operation and capacity of the refrigeration machine: a) – actual capacity of the installed refrigeration machine; b) – real schedule of operation of the installed refrigeration machine; c) – schedule of operation of the refrigeration machine when using cold accumulators Коефіцієнт одночасності – це співвідношення фактич- ного навантаження обладнання (𝑄ф) для охолодження будівлі до загальної потенційної потужності холодиль- ної машини (𝑄пот): 𝐾𝑠𝑖𝑚 = 𝑄ф 𝑄пот ∙ 100 (31) Тобто що нижче 𝐾𝑠𝑖𝑚, то вище потенційні переваги за- стосування такої системи зниження теплового наванта- ження. Використовується практична й економічна стра- тегія розподілення навантаження: значно менш потужна, ніж потрібно за розрахунком, холодильна ма- шина працює постійно протягом доби. Вона заряджає баки для акумулювання холоду в нічний час і знижує на- вантаження протягом дня за рахунок накопиченого хо- лоду. Така цілодобова робота холодильної машини за- безпечує мінімально можливе середнє навантаження (див. рис. 1, b). Значення максимальної потужності СКП істотно знижується, внаслідок чого потужність холо- дильної машини можна скоротити на 50–60 %. 223 Відновлювана енергетика. № 3/2025 |Геотермальна енергетика Технологія штучного намерзання льоду дає змогу пере- нести значну частку навантаження енергоспоживання на години мінімальних навантажень, що скорочує пот- ребу в електроенергії на кондиціонування і забезпечує загальне зниження споживання енергії. У цій системі стандартна холодильна машина утворює лід у нічний час за мінімальних навантажень електроенергії для спо- руд і за нижчим тарифом. Лід утворюється та зберіга- ється в модульних ізольованих поліетиленових баках, в яких розміщений спіральний теплообмінник з пластико- вих трубок, занурений у воду. Вночі водогліколева су- міш (25 %) охолоджується в холодильній машині й цир- кулює через теплообмінник, відбираючи тепло від води до повного її замерзання. Технологічні схеми часткового зберігання холоду пока- зані на рис. 3. Вночі водогліколева суміш циркулює че- рез холодильну машину (2) і теплообмінник у баку (1) з обводним контуром через клапани регулювання темпе- ратури (5), що мають електроприводи. Рідина, охоло- джена до температури 𝑡 = −4 °𝐶, заморожує воду на- вкруги теплообмінника в баку (рис. 3, а). ХМ -4.0°C -0.5°C 2 3 -4.0°C -0.5°C 4 5 1 ХМ 2 3 4 5 ХМ +12°C +16°C 2 3 4 5 +16°C +24°C +13°C +12°C +12°C +1°C +7°C +7°C 1 1 +12°C +16°C +16°C +24°C +13°C +7°C +7°C Цикл замерзання Цикл розмерзання Обвідний цикл а) б) в) Рис. 3. Технологічні схеми часткового зберігання хо- лоду: 1 – бак –акумулятор холоду; –- холодильна ма- шина; 3 – теплообмінник повітроохолоджувача УКП; 4 – автоматичний клапан одночасності; 5 – клапан регулювання температури Fig. 3. Technological schemes of partial cold storage: 1 – tank – cold accumulator; – refrigerating machine; 3 – heat exchanger of the air cooler of the central heating system; 4 – automatic simultaneity valve; 5 – temperature control valve На наступний день (рис. 3, б) згенерований лід охоло- джує водогліколеву суміш від 𝑡 = +12 °𝐶 до 𝑡 = +1 °𝐶. За допомогою клапана регулювання температури (5) та обвідного контуру навколо бака забезпечується змішу- вання холодоносіїв, що мають температуру 𝑡 = +12 °𝐶 та 𝑡 = +1 °𝐶, до необхідної температури 𝑡 = +7 °𝐶. Рі- дина з температурою 𝑡 = +7 °𝐶 рухається до теплооб- мінника кондиціонера для охолодження повітря від 𝑡 = +24 °𝐶 до 𝑡 = +13 °𝐶). Після нього теплоносій з 𝑡 = +16 °𝐶 потрапляє в холодильну машину для охоло- дження до 𝑡 = +12 °𝐶. Слід зазначити, що на відміну від широковживаних схем холодопостачання з температурою холодоносія 𝑡 = +7 °𝐶 для отримання льоду водогліколевий розчин у холодильній машині необхідно охолоджувати до 𝑡 = −4 °𝐶. Цей ефект називається «зниженням» номіналь- ної потужності холодильної машини орієнтовно на 30– 35 %. Проте ефективність компресора змінюється неіс- тотно, оскільки нижча температура навколишнього се- редовища в нічний час приводить до нижчих темпера- тур конденсації. Це забезпечує більшу ефективність холодильної машини в цілому. На схемі (рис. 3, в) клапан регулювання (5) в обвідному циклі забезпечує необмежений контроль потужності. Тобто значний час при середніх знижених температу- рах, а також в сутінках (друга половина дня) холодильна машина може працювати без накопичення холоду і за- безпечувати необхідне охолодження повітря для СКП. Коли фактичне навантаження для охолодження дорів- нює або нижче потужності холодильної машини холо- доносій системи циркулює по обвідному каналу. Процеси намерзання льоду і наступного його танення нестаціонарні тому, що змінюється товщина шару льоду, а відповідно, і теплоізолювальні властивості льоду. Кількість льоду, який утворюється, визначається залежністю: 𝑊𝑖𝑐𝑒 = 𝑊𝑤∙𝐶𝑤·∆𝑡𝑤 𝑟 , (32) де 𝑊𝑤 – кількість води, що охолоджується, кг; ∆𝑡𝑤 – перепад температури води в льодоакумуляторі, °С; 𝐶𝑤 – питома теплоємність води, кДж/кг°С; 𝑟 = 𝑟𝑖𝑐𝑒 – прихована теплота льодоутворення, кДж/кг. Ефективність холодильних машин з повітряним охоло- дженням найбільша в нічний час, коли температури на- вколишнього середовища нижче. При цьому темпера- тура конденсації також може бути нижче, ніж в денний час (до +20 °С), що збільшує ефективність енергоспожи- вання на 2...8 % порівняно з системами без накопичува- чів льоду. Висновки Результати досліджень для холодопостачання систем кондиціонування повітря (СКП) підтверджують можли- вість використання намерзання льодового масиву при- родним способом у холодну пору року з подальшим 224 Відновлювана енергетика. № 3/2025 |Геотермальна енергетика використанням його в інші періоди року. Для мінімізації танення льоду і забезпечення ефективного викорис- тання холоду можливе зберігання льодового масиву під шаром талої води в суміші з природними опадами та во- дяної пари, що конденсується. У разі використання акумуляторів льоду в системах зі штучним охолодженням зменшуються габарити елеме- нтів системи охолодження (типорозмір холодильної ма- шини, геометрія труб, насосів, запірно-регулювальної арматури). У традиційних системах при штучному охолодженні без льодового акумулятора холодильна машина щонайме- нше половину сезону роботи працює з потужністю, що на 30 % менше від номінальної. Системи з акумуляторами льоду використовують ефект поглинання прихованої теплоти, коли вода з рідини пе- ретворюється на лід. Якщо вода є просто охолодженою, то використовується лише специфічна теплота води, що приводить до зміни температури води, а не до зміни фази. ПОСИЛАННЯ 1. ASHRAE. "Ice Storage Design and Application Manual". American Society of Heating, Refrigerating and Air-Con- ditioning Engineers, 2006. 2. ANSI/AHRI 210/240-2008: 2008 Standard for Perfor- mance Rating of Unitary Air-Conditioning & Air-Source Heat Pump Equipment. Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute. 2008. Архів оригіналу (PDF) за 29 березня 2018. 3. ДСТУ EN 378-2:2017 Холодильні установки та теплові насоси. Безпечність та екологічні вимоги. Частина 2. Проектування, спорудження, випробування, маркування та документація (EN 378-2:2016, IDT) 4. Cebeci T. and Bradshaw P. (1988) Physical and Compu- tational Aspects of Convective Heat Transfer. Springer, New York. http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4612- 3918-5 5. Khandelwal A., Talukdar P. and Jain S. “Energy savings in a building using regenerative evaporative cooling,” Energy and Buildings, vol. 43, no. 2-3, pp. 581-591, 2011. 6. Dorgan CE; Elleson JS (1994) Design Guide For Cool Stor- age. ASHRAE, Atlanta. 7. Holman A. S. ACES (The Annual Cycle Energy System) Demonstration: Construction, Startup and Performance Report. / Holman A. S., Brantley V. R. // OAK Ridge Na- tional Laboratory, 1978. 8. Panayiotou G. Thermal performance of dwellings in Cy- prusand approaches for energy conservation. 2014. 9. Kreith F., Wang SK, Norton P. Air Conditioning and Re- frigeration Engineering. London: CRC Press; 2018. 10. Chua K., Chou S., Yang W., Yan J. Achieving better en- ergy-efficient air conditioning—a review of technolo- gies and strate-gies. Appl Energy. 2013; 104:87-104. 11. Li C. and Zhao J. “Experimental study on indoor air tem- perature distribution of gravity air-conditioning for cooling,” Energy Procedia, no. 17, pp. 961-967, 2012. 12. Chovniuk Y., Moskvitina A., Shyshyna M., Rybachov S., Mykhailyk O. Optimization of heat transfer processes in enclosing structures of architectural monuments lo- cated outside urban agglomeration. Engineering for Ru- ral Development, 2024, 23, pp. 615–622. 13. Rasouli M., Simonson C. J. and Besant R. W. “Applicabil- ity and optimum control strategy of energy recovery ventila-tors in different climatic conditions,” Energy and Buildings, vol. 42, no. 9, pp. 1376-1385, 2010. 14. Пуховий І. І. Кривошеєв М. О. Акумулятори холоду фазового переходу / І. І. Пуховий, М. О. Кривошеєв. Енергетика та електротехніка. Тем. Випуск. 2013. С. 74–79. 15. Пуховий І. І. Безпосереднє використання теплоти до- вкілля в системах тепло- і холодопостачання / І. І. Пу- ховий. Технічна електродинаміка. Тем. Випуск. 2003. С. 31–33. 16. Пуховой И. И. Анализ теплопритоков и теплопотерь, кондиционирование воздуха с использованием льдохранилищ в пассивных зданиях / И. И. Пуховой, М. А. Кривошеев. Энерготехнологии и ресурсосбере- жение. 2011. № 6. С. 28–333. 17. Літовко Б. М., Лідер М. Ю. Аналіз способів підви- щення енергоефективності систем вентиляції та кон- диціювання. Вісник Вінницького політехнічного ін- ституту. 2021. № 4. REFERENCES 1. ASHRAE. "Ice Storage Design and Application Manual". American Society of Heating, Refrigerating and Air-Con- ditioning Engineers, 2006. 2. ANSI/AHRI 210/240-2008: 2008 Standard for Perfor- mance Rating of Unitary Air-Conditioning & Air-Source Heat Pump Equipment. Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute. 2008. Архів оригіналу (PDF) за 29 березня 2018. 3. DSTU EN 378-2:2017 Refrigerating systems and heat pumps. Safety and environmental requirements. Part 2: Design, construction, testing, marking and docu- mentation (EN 378-2:2016, IDT) 4. Cebeci T. and Bradshaw P. (1988) Physical and Compu- tational Aspects of Convective Heat Transfer. Springer, New York. http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4612- 3918-5 5. Khandelwal A., Talukdar P. and Jain S. “Energy savings in a building using regenerative evaporative cooling,” 225 Відновлювана енергетика. № 3/2025 |Геотермальна енергетика Energy and Buildings, vol. 43, no. 2-3, pp. 581-591, 2011. 6. Dorgan CE; Elleson JS (1994) Design Guide For Cool Stor- age. ASHRAE, Atlanta. 7. Holman A. S. ACES (The Annual Cycle Energy System) Demonstration: Construction, Startup and Performance Report. / Holman A. S., Brantley V. R. // OAK Ridge Na- tional Laboratory, 1978. 8. Panayiotou G. Thermal performance of dwellings in Cy- prusand approaches for energy conservation. 2014. 9. Kreith F., Wang SK, Norton P. Air Conditioning and Re- frigeration Engineering. London: CRC Press; 2018. 10. Chua K., Chou S., Yang W., Yan J. Achieving better en- ergy-efficient air conditioning—a review of technolo- gies and strate-gies. Appl Energy. 2013; 104:87-104. 11. Li C. and Zhao J. “Experimental study on indoor air tem- perature distribution of gravity air-conditioning for cooling,” Energy Procedia, no. 17, pp. 961-967, 2012. 12. Chovniuk Y., Moskvitina A., Shyshyna M., Rybachov S., Mykhailyk O. Optimization of heat transfer processes in enclosing structures of architectural monuments lo cated outside urban agglomeration. Engineering for Rural De- velopment, 2024, 23, pp. 615–622. 13. Rasouli M., Simonson C. J. and Besant R. W. “Applicabil- ity and optimum control strategy of energy recovery ventila-tors in different climatic conditions,” Energy and Buildings, vol. 42, no. 9, pp. 1376-1385, 2010. 14. Pukhovyi I. I. Krivosheev M. O. Cold accumulators of phase transition / I. I. Pukhovyi, M. O. Krivosheev. Power engineering and electrical engineering. Topic. Is- sue. 2013. P. 74–79. 15. Pukhovyi I. I. Direct use of environmental heat in heat and cold supply systems / I. I. Pukhovyi. Technical elec- trodynamics. Topic. Issue. 2003. P. 31–33. 16. Pukhovyi I. I. Analysis of heat inflows and heat losses, air conditioning using ice storage in passive buildings / I. I. Pukhovyi, M. A. Krivosheev. Energy technologies and resource conservation. 2011. No. 6. P. 28–333. 17. Litovko B. M., Lider M. Yu. Analysis of ways to increase the energy efficiency of ventilation and air conditioning systems. Bulletin of Vinnytsia Polytechnic Institute. 2021. No. 4.
id veorgua-article-566
institution Vidnovluvana energetika
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
last_indexed 2026-07-19T01:17:14Z
publishDate 2025
publisher Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv veorgua/46/2e02e8ba17877ef47f78ad68be565546.pdf
spelling veorgua-article-5662026-07-18T06:32:23Z APPLICATION OF ENERGY-EFFICIENT ICE-ACCURACKING TECHNOLOGIES IN AIR CONDITIONING SYSTEMS ЗАСТОСУВАННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНИХ ЛЬОДОАКУМУЛЮЮЧИХ ТЕХНОЛОГІЙ У СИСТЕМАХ КОНДИЦІОНУВАННЯ ПОВІТРЯ Korbut , V. Rybachov , S. renewable energy sources, solar radiation energy, natural circulation, solar water heater, flow rate, temperature head. коефіцієнт енергоефективності, льодоакумуляторні технології, природний льодовий масив, градирні, нестаціонарні теплообмінні процеси, холодопродуктивність льодового масиву, конвективна теплота, сонячна радіація, холодильна машина, бак-акумулятор холоду, цикли замерзання-розмерзання, прихована теплота льодоутворення. An analytical model for the flow of heat carrier in natural-circulation (thermosiphon) solar water heaters is presented. A differential equation for the flow velocity&amp;nbsp;&amp;nbsp; is derived, accounting for the gravitational driving head due to density differences between hot and cold fluid and for hydraulic losses (friction and local resistances). The time evolution of the temperature difference&amp;nbsp;&amp;nbsp; between the heated and cold sections of the loop is characterized and described by a generalized gamma-like function with a controllable peak. Using the derived model, the unsteady velocity and volumetric flow rate of the circulating fluid are simulated numerically. Graphs of&amp;nbsp;&amp;nbsp; are provided, as well as a surface&amp;nbsp;&amp;nbsp; illustrating the relationship between flow rate, time, and temperature head. The conclusions highlight the scientific novelty of the results, their practical significance for designing efficient thermosyphon solar heaters, and directions for further research, including accounting for nonlinear fluid properties and system optimization.&amp;nbsp; Розглянуто результати досліджень природного та штучного утворення льодового масиву для холодопостачання систем кондиціонування повітря (СКП). З огляду на географічні широти України практичні проробки підтверджують можливість використання намерзання льодового масиву природним способом у холодну пору року з подальшим використанням його в інші періоди року. Для мінімізації танення льоду і забезпечення ефективного використання холоду із застосуванням льодоакумуляторних систем послуговуються декількома методами його захисту.&amp;nbsp; Дослідження нестаціонарних тепломасообмінних процесів, які протікають у системі «повітря – вода – лід» з урахуванням конвективно-променевої теплоти, а також теплоти випаровування, підтверджують ефективність зберігання льодового масиву під шаром талої води в суміші з природними опадами та водяної пари, що конденсується.&amp;nbsp; Таке рішення дозволяє зменшити швидкість танення в 3…5 разів залежно від терміну зберігання, а в разі збільшення товщини талої води зменшується кількість тепла, яка надходить у цю систему під впливом зовнішніх факторів.&amp;nbsp; Розглянуто питання можливого використання штучних льодоакумуляторних систем охолодження в СКП у теплий період року. Застосування таких енергоефективних технологій дає змогу накопичувати холод в акумуляторах льоду під час періодів низького енергоспоживання і нижчих температур зовнішнього повітря (наприклад, вночі) та використовувати його для охолодження в години пікового навантаження.&amp;nbsp; Наведено принципові схеми часткового зберігання холоду в баках-акумуляторах, що дозволяє зменшити споживання електроенергії на 5...7 % за номінальної холодопродуктивності залежно від конструкції конденсатора і типу компресорів.&amp;nbsp; &amp;nbsp; Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2025-09-28 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/566 10.36296/1819-8058.2025.3(82).218-225 Vidnovluvana energetika ; No. 3(82) (2025): Scientific and applied Journal renewable energy ; 218-225 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 3(82) (2025): Scientific and applied Journal renewable energy ; 218-225 Відновлювана енергетика; № 3(82) (2025): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 218-225 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2025.3(82) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/566/477 Copyright (c) 2025 V. Korbut , S. Rybachov https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
spellingShingle renewable energy sources
solar radiation energy
natural circulation
solar water heater
flow rate
temperature head.
Korbut , V.
Rybachov , S.
APPLICATION OF ENERGY-EFFICIENT ICE-ACCURACKING TECHNOLOGIES IN AIR CONDITIONING SYSTEMS
title APPLICATION OF ENERGY-EFFICIENT ICE-ACCURACKING TECHNOLOGIES IN AIR CONDITIONING SYSTEMS
title_alt ЗАСТОСУВАННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНИХ ЛЬОДОАКУМУЛЮЮЧИХ ТЕХНОЛОГІЙ У СИСТЕМАХ КОНДИЦІОНУВАННЯ ПОВІТРЯ
title_full APPLICATION OF ENERGY-EFFICIENT ICE-ACCURACKING TECHNOLOGIES IN AIR CONDITIONING SYSTEMS
title_fullStr APPLICATION OF ENERGY-EFFICIENT ICE-ACCURACKING TECHNOLOGIES IN AIR CONDITIONING SYSTEMS
title_full_unstemmed APPLICATION OF ENERGY-EFFICIENT ICE-ACCURACKING TECHNOLOGIES IN AIR CONDITIONING SYSTEMS
title_short APPLICATION OF ENERGY-EFFICIENT ICE-ACCURACKING TECHNOLOGIES IN AIR CONDITIONING SYSTEMS
title_sort application of energy-efficient ice-accuracking technologies in air conditioning systems
topic renewable energy sources
solar radiation energy
natural circulation
solar water heater
flow rate
temperature head.
topic_facet renewable energy sources
solar radiation energy
natural circulation
solar water heater
flow rate
temperature head.
коефіцієнт енергоефективності
льодоакумуляторні технології
природний льодовий масив
градирні
нестаціонарні теплообмінні процеси
холодопродуктивність льодового масиву
конвективна теплота
сонячна радіація
холодильна машина
бак-акумулятор холоду
цикли замерзання-розмерзання
прихована теплота льодоутворення.
url https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/566
work_keys_str_mv AT korbutv applicationofenergyefficienticeaccurackingtechnologiesinairconditioningsystems
AT rybachovs applicationofenergyefficienticeaccurackingtechnologiesinairconditioningsystems
AT korbutv zastosuvannâenergoefektivnihlʹodoakumulûûčihtehnologíjusistemahkondicíonuvannâpovítrâ
AT rybachovs zastosuvannâenergoefektivnihlʹodoakumulûûčihtehnologíjusistemahkondicíonuvannâpovítrâ