Энергоэффективность систем кондиционирования воздуха помещений на базе радиационного охлаждения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Дженблат Силвана

• Дженблат Силвана
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Дженблат Силвана

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Анализ современного состояния и путей использования радиационного охлаждения для кондиционирования воздуха

1.1 Теоретические основы радиационного охлаждения

1.2 Анализ эффективности пассивных систем радиационного охлаждения

1.3 Характеристика и анализ эффективности активных систем радиационного охлаждения

1.3.1 Воздушные системы охлаждения

1.3.2 Системы на основе воды

1.3.3 Характеристика конструкций и эффективности гибридных систем охлаждения

1.4 Анализ материалов и покрытий, применяемых для радиационного охлаждения

1.5 Анализ компьютерных программ анализа энергопотребления здания и эффективности систем радиационного охлаждения

ГЛАВА 2. Разработка математической модели расчёта оптических свойств многослойных покрытий и теоретической оценки производительности пассивных радиаторов

2.1 Алгоритм математической модели расчета оптических свойств многослойных покрытий

2.2 Принципы расчета систем радиационного охлаждения

2.3 Расчет оптических свойств многослойных покрытий матричным методом передачи

2.4 Исследование спектрального поведения материалов при радиационном воздействии

2.5 Расчет показателей эффективности радиаторов

2.6 Расчёт метеорологических параметров

2.7 Анализ эффективности системы пассивного радиационного щхлаждения

ГЛАВА 3. Исследование влияния теплоаккумулирующей стены с водяным теплообменником на охлаждающую нагрузку в здании

3.1 Схема теплоаккумулирующей стены с водяным теплообменником

3.2 Структурная схема математической модели расчета параметров теплообменника теплоаккумулирующей стены для кондиционирования воздуха

3.3 Результаты расчета параметров теплообменника

3.4 Экспериментальное исследование теплоаккумулирующей стены. Проверка адекватности расчетных и опытных данных

ГЛАВА 4. Аанлиз энергоэффективаности гибридных систем кондиционирования воздуха

4.1 Схемы систем кондиционирования воздуха с применением радиационного охлаждения

4.1.1 Схема пассивной системы кондиционирования воздуха на базе радиационного охлаждения

4.1.2 Схема гибридной системы кондиционирования воздуха на базе радиационного охлаждения

4.2 Моделирование системы кондиционирования воздуха

4.3 Анализ результатов моделирования систем кондиционирования воздуха с использованием радиационного охлаждения

4.3.1 Анализ результатов моделирования пассивной системы кондиционирования воздуха на базе радиационного охлаждения в Латакии

4.3.2 Анализ результатов моделирования пассивной системы кондиционирования воздуха на базе радиационного охлаждения в Дамаске

4.3.3 Анализ результатов моделирования гибридной системы кондиционирования воздуха с использованием радиационного охлаждения в

Латакии

4.3.4 Анализ результатов моделирования гибридной системы кондиционирования воздуха с использованием радиационного охлаждения в Дамаске

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А: Технические характеристики оборудования гибридной системы кондиционирования воздуха

Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы

Теплопоступления, вызванные высокой температурой окружающей среды, солнечными и внутренними тепловыми нагрузками, скрытыми тепловыми нагрузками, определяют тепловой баланс зданий и приводят к увеличению температуры внутри помещений, что приводит к ухудшению здоровья людей, находящихся внутри зданий. Поддержание температурно-влажностного режима также имеет важное значение для объектов агропромышленного комплекса.

Расход энергии на охлаждение зданий в настоящее время составляет значительную долю от общего потребления энергии в мире. Ожидается, что глобальное и локальные изменения климата в сочетании с прогнозируемым увеличением численности населения и экономическим развитием значительно увеличат потребность в энергии для охлаждения зданий и сделают ее доминирующей энергетической составляющей. Прогноз энергопотребления в строительном секторе показывает, что после 2050 года потребность в отоплении зданий увеличится более чем на 30 %, а потребность в охлаждении примерно на 70%.

В последнее время большое внимание уделяется использованию возобновляемых источников энергии. Радиационное охлаждение является одним из пассивных методов, используемых для снижения потребления энергии и защиты окружающей среды. Пассивное охлаждение включает технологии и конструктивные решения, разработанные для охлаждения зданий с минимальным потреблением энергии. Оно позволяет использовать простую и недорогую технику для целей кондиционирования воздуха в регионах с жарким и умеренным климатом.

Возможность изменять радиационные свойства объекта представляет большой практический интерес и важна для различных областей инженерной и прикладной физики. Спектры теплового поглощения тела могут регулироваться путем изменения геометрии конструкции и применением материалов, имеющих высокую отражательную способность.

Ранние исследования радиационного охлаждения показали его высокую эффективность в ночное время. Применение новых материалов с высокой излучающей способностью позволило создать радиаторы, обеспечивающие высокую мощность охлаждения в дневное время. Такие радиаторы можно эффективно использовать для охлаждения «умных, зеленых» зданий. Эффективность систем радиационного охлаждения в значительной степени зависит от метеорологических условий, таких как состав атмосферы (наличие водяного пара), состояние неба (наличие облачности), скорости ветра и нестабильности погодных условий.

Обзор научной литературы показал, что наиболее эффективными покрытиями, предложенными для дневного радиационного охлаждения, являются фотонные многослойные структуры. В последние годы предложено большое количество фотонных структур и полимеров для систем радиационного охлаждения. Большинство из них обеспечили охлаждение помещений ниже температуры окружающей среды в дневное время, при высокой интенсивности солнечного излучения. Предложены гибридные системы, которые сочетают радиационное охлаждение с системами кондиционирования воздуха или холодильными машинами.

Таким образом, применение дневного радиационного охлаждения для повышения энергоэффективности систем кондиционирования воздуха является актуальной научно-технической задачей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергоэффективность систем кондиционирования воздуха помещений на базе радиационного охлаждения»

Цель работы

Повышение энергоэффективности систем кондиционирования воздуха помещений на базе радиационного охлаждения для разных климатических условий.

Задачи работы

Основными задачами, поставленными в работе, являются:

1. Провести анализ спектральных характеристик и оптических свойств материалов, предложенных для систем дневного радиационного охлаждения, с целью определения наиболее эффективных.

2. Разработать математическую модель расчета оптических и радиационных свойств многослойных покрытий и теоретической оценки эффективности систем пассивного радиационного охлаждения.

3. Провести оценку энергоэффективности радиатора с использованием многослойного покрытия путем моделирования пропускания атмосферы в климатических условиях Латакии (Сирия).

4. Исследовать влияние теплоаккумулирующей стены с водяным теплообменником на охлаждающую нагрузку в здании.

5. Разработать схемные решения систем кондиционирования воздуха на основе радиационного и лучистого охлаждения.

6. Провести оценку энергоэффективности систем кондиционирования воздуха помещений с использованием потенциала радиационного и лучистого охлаждения в климатических условиях Сирии.

Научная новизна работы

1. Разработана математическая модель для расчета оптических и радиационных свойств многослойных покрытий радиаторов и теоретической оценки эффективности систем пассивного радиационного охлаждения. На основе разработанной математической модели определены коэффициенты в уравнении регрессии для чистого радиационного теплового потока.

2. Получены новые научные данные о потенциале дневного и ночного радиационного охлаждения в климатических условиях Сирии.

3. Проведено математическое моделирование и анализ энергоэффективности систем кондиционирования воздуха помещений с использованием потенциала радиационного и лучистого охлаждения для регионов Сирии.

Теоретическая и практическая значимость работы

В работе решена важная научно-техническая задача - использование энергии дневного радиационного охлаждения для целей кондиционирования воздуха помещений.

Получены новые данные атмосферного пропускания, солнечного излучения, оптических свойств многослойного покрытия в климатических условиях Латакии.

Разработанная математическая модель оценки эффективности многослойных покрытий и расчета тепловых характеристик систем пассивного радиационного охлаждения может быть использована при проектировании систем кондиционирования воздуха зданий в различных климатических условиях.

Предложенные системы кондиционирования воздуха помещений на базе радиационного охлаждения могут быть использованы в регионах с жарким и умеренным климатом.

Положения, выносимые на защиту

1. Анализ спектрального поведения материалов, используемых для систем радиационного охлаждения, с целью определения наиболее эффективных для систем дневного радиационного охлаждения.

2. Методики, алгоритмы и компьютерные модели для расчета оптических и радиационных свойств покрытий, энергоэффективности радиаторов, расчета параметров теплообменника теплоаккумулирующей стены и энергоэффективности систем кондиционирования воздуха помещений.

3. Новые данные об эффективности применения многослойных покрытий для дневного радиационного охлаждения в климатических условиях Латакии.

4. Анализ влияния теплоаккумулирующей стены с водяным теплообменником на охлаждающую нагрузку в здании.

5. Результаты расчета энергоэффективности систем кондиционирования воздуха помещений с использованием потенциала радиационного и лучистого охлаждения в климатических условиях Сирии.

Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научных конференциях:

1. VIII Конгресс молодых ученых (КМУ), Санкт-Петербург 15.04.201919.04.2019.

2. XLIX научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, Санкт-

Петербург 29.01.2020-01.02.2020.

3. IX Конгресс молодых ученых (КМУ), Санкт-Петербург 15.04.2020 -

18.04.2020.

4. Пятидесятая научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, Санкт-Петербург 01.02.2021 -04.02.2021.

5. 11-ая международная научно-техническая конференция Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства, 2021, ОмГТУ.

6. Пятьдесят первая (LI) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург 02.02.2022-05.02.2022.

7. XI Конгресс молодых ученых (КМУ), Санкт-Петербург 04.04.202208.04.2022.

НИР

1. Проект № 620154 «Экологически безопасные технологии энергосбережения и повышения эффективности низкотемпературных систем». С 01.09.2020 по 30.06.2023.

Достоверность научных достижений

Полученные результаты базируются на уравнениях теплообмена и термодинамики, опыте расчетов и конструирования систем кондиционирования воздуха помещений. Результаты теоретических расчетов лучистой теплопередачи были сопоставлены и подтверждены экспериментальными данными. Применены современные методы сбора и обработки информации, построена компьютерная модель с использованием программного обеспечения Energy Plus и MATLAB. Результаты компьютерной модели были верифицированы экспериментальными данными.

Внедрение результатов работы

Метод теоретической оценки энергоэффективности систем пассивного радиационного охлаждения и влияния теплоаккумулирующей стены с водяным теплообменником на охлаждающую нагрузку в здании, реализованный в виде

соответствующего программного обеспечения, использован в учебном процессе в Университете ИТМО при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения».

Публикации

В процессе работы над диссертацией опубликовано 9 научных трудов, в том числе: 4 статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ; 1 статья в журнале с ненулевым импакт-фактором (входящих в базу данных Web of Science и Scopus); 4 публикации в материалах научно-практических конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из перечня условных обозначений, введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 234 наименований и 1 приложения. В общий объем диссертации входит 145 страниц основного машинописного текста, 77 рисунков и 8 таблиц.

Содержание работы

Во введении обусловлена актуальность работы, сформулированы научные задачи исследования, цель работы, научная новизна, научные положения диссертации, выносимые на защиту, практическая ценность работы. Изложена структура диссертации и краткая характеристика ее основных разделов.

Первая глава посвящена анализу вопросов, которые используются в работе, обзорному анализу литературы, связанной с использованием радиационного охлаждения, анализу материалов, применяемых для радиационного охлаждения, методов теоретического исследования.

Земля получает энергию от Солнца и излучает такое же количество тепловой энергии во Вселенную для поддержания энергетического баланса. Радиационное охлаждение является основным способом отвода избыточного тепла от Земли. Согласно закону Стефана-Больцмана, чем выше температура объекта, тем больше его способность излучать тепло. Зависимость интенсивности излучения от длины волны и температуры для абсолютно черного тела определяется формулой Планка.

Облучение земной поверхности вызывается двумя разными источниками. Одним из источников является рассеянное солнечное излучение, которое присутствует только в дневное время, а вторым - излучение атмосферы. Излучательная способность атмосферы зависит от ряда факторов, таких как зенитный угол, влажность воздуха, облачность, наличие аэрозолей, геграфическая широта, время суток и сезонный эффект. Разницу между собственным излучением поверхности и противоизлучением атмосферы рассматривают как эффективное излучение.

Проведенный обзор научной литературы показал, что потенциал использования радиационного охлаждения в мире достаточно большой. В последние десятилетия исследованиями в области радиационного охлаждения занимаются в России, США, Китае, Австралии, Бразилии, Марокко, Греции, и Индии. Основными направлениями исследований являются разработка пассивных и активных систем радиационного охлаждения. Эффективность систем радиационного охлаждения в значительной степени определяется оптическими свойствами материала покрытия радиатора. Для систем радиационного охлаждения предложено большое количество покрытий, обеспечивающих ночное радиационное охлаждение. В последние годы предложены покрытия, способные обеспечить эффективное дневное радиационное охлаждение. Вопросы использования потенциала дневного радиационного охлаждения и выбора эффективных покрытий, с учетом климатических условий, недостаточно изучены.

Вторая глава посвящена разработке математической модели расчета оптических свойств покрытий и теоретической оценки производительности радиаторов пассивных систем радиационного охлаждения.

Анализ спектрального поведения материалов и оценка оптических свойств покрытий проводилась матричным методом передачи (TMM). Спектральные характеристики и оптические свойства материалов, эффективность охлаждения и установившаяся температура рассчитывались в диапазоне длин волн от 0.3 до 25 мкм. Эффективность радиационного охлаждения в результате использования многослойного покрытия рассчитывалась программой MATLAB. В качестве объекта исследования использовали многослойное покрытие, предложенное Раманом, имеющее высокую излучательную и отражательную способность. Покрытие состоит из тонких слоев диоксида кремния и оксида гафния, нанесенных на подложку из титана и серебра. Для оценки эффективности радиационного охлаждения использовали предложенные Раманом показатели: установившаяся температура (Tss) - самая низкая температура, которую может достичь поверхность, соответствующая температуре, при которой мощность охлаждения равна нулю (Pcool = 0); охлаждающая способность, при которой температура поверхности равна температуре окружающей среды (Pcool (Ta=Ts)).

Блок-схема математической модели расчета теоретической эффективности охлаждения и установившейся температуры представлена на рисунке 1.

Составлена база данных показателей преломления материалов в зависимости от длин волн. Определены толщина каждого слоя покрытия и угол падения солнечного излучения. Рассчитаны оптические свойства покрытия, в частности, коэффициент излучения, необходимый для расчета энергии радиационного охлаждения. Учтены параметры климатических условий конкретного региона: значения коэффициента пропускания атмосферы (приведены на демо MODTRAN), значения солнечного излучения (получены с помощью онлайн-калькулятора солнечного спектра).

Радиатор, работающий в дневное время, подвергается воздействию теплового излучения атмосферы и солнечного излучения. Его охлаждающую способность (Рсюы) рассчитывали по уравнению:

^ссЛ ТатЬ)_ (Тб)-РПШ(Tamb)-Psolar-Pcond-conv (1)

Тепловой поток, излучаемый поверхностью в окружающую среду ( Рг^) , определяется по формуле:

Prad С^) = АБ /|2лзтесозе /¿МЦ^ДХ^е) (2)

где:

еб(Х,0) - спектральная и направленная излучательная способность

поверхности радиатора;

As - площадь поверхности многослойной структуры;

е - зенитный угол;

ТБ - температура поверхности многослойной структуры;

Т^ - температура окружающей среды;

1ьь(Т8,^) - спектральная интенсивность черного тела при температуре

Т

Поглощенная мощность атмосферного излучения (Р^т) рассчитывается по формуле:

Р^т(Tamb) = Аб /о22™П0СОБ0 />^mnaxdXIbb(Tamb,^)Satm(^,е)Ss(^,е) (3) где:

Еа^е) - излучательная способность атмосферы под углом, определяется по формуле:

Е^^) = ^ПШ^)7«*0 (4)

где: т^^Х) - коэффициент пропускания атмосферы в зенитном направлении, зависит от количества водяного пара в вертикальном столбе атмосферы и массы воздуха.

коэффициент излучения / поглощения

I

Введите параметры погоды в указанный час {температура окружающей среды.скорость ветра)

Рассчитать: комбинированный коэффициент нерадиационного тепла

Введите значения коэффициент пропускания атмосферы от длины волны (веб-сайт МОРТР?А1У1)

Введите значения солнечного излучения (онлайн-калькулятора солнечного спектра)

Рассчитать: Г) (Т ГгЛ Р J- solar Т) Patm (Та) Р a cond—conv

1 Т

Рассчитать:

Р (Т=Т)

1 cool S j- Ü

т

Psolar

Начало

Конец

Введите материалы

-▼-

Они находятся в файле Excel?

-да-»

-Нет*

ошибка

Комплексный показатель преломления (преломления и коэффициент экстинкции) материалов

Введите толщину всех слоев

Введите час в день

угол падения солнечного излучения=0

■«нет

—*

Это в дневное время?

I

да

Рассчитайте угол падения солнечного излучения

_т_

Расчет оптических и радиационных свойств покрытия

Рисунок 1 - Блок-схема математической модели Нерадиационный тепловой поток (Рсоп^сопу ) определяют по формуле:

РсоМ-сопу= А^с(^"ТатЬ) (5)

где: Ис= Ьс0^+ Исопу - комбинированный коэффициент нерадиационного тепла, который выражает эффект кондуктивного и конвективного теплообмена, возникающий из-за контакта радиатора с внешней поверхностью крыши и воздухом.

Падающая солнечная энергия, поглощаемая покрытием (Р<501аг), определяется по формуле:

Psolar = As /0 d^ss(^,0sun)IAM1.5(^)

(6)

где:

1АМ15(Х) - солнечное освещение, Вт/м3.

Поскольку радиатор обращен к солнцу под углом еБип, Рбо1пг не имеет углового интеграла, а излучательная способность покрытия радиатора представлена его значением при еБип.

Для получения спектральных характеристик многослойного покрытия использовали аналитическую модель, которая основана на матричном методе передачи. Этот метод базируется на классическом электродинамическом подходе и позволяет вычислять отражение, прохождение и поглощение света многослойным покрытием с учетом показателя преломления, толщины покрытия и угла падения. Сумму слоев можно представить в виде системной матрицы, которая является произведением матриц отдельных слоев.

Уравнения можно записать как:

где:

Е+, Е1 характеризуют падающее и отраженное излучение для первого интерфейса (слоя);

Е^, Е^ характеризуют падающее и отраженное излучение для последнего интерфейса.

Произведение матриц для каждого слоя в многослойном покрытии описывают уравнением:

Общая отражательная способность рассчитывалась как средняя отражательная способность по р-поляризованному и Б-поляризованному свету:

(7)

^1)= О,5^р(Х,01^(Х,01))

(9)

Общая способность пропускания, как средний коэффициент пропускания по р-поляризованному и Б-поляризованному свету:

Т(Х,01)= 0,5(Тр (Х,01)+Т8(Х,01)) (10)

Общая поглощающая способность, как средняя поглощающая способность по р-поляризованному и s-поляризованному свету:

Д(Х,01)= О,5(Др(Х,01^(Х,01)) (11)

При расчете мощности охлаждения Рсоо1 и установившейся температуры Т^ были приняты климатические условия, в которых покрытие было применено впервые (Калифорния, США) и климатические условия Сирии (Латакия).

Полученные зависимости коэффициента пропускания атмосферы от длины волны в летний период в Латакии, представлены на графике в соответствии с рисунком 2.

0.9

-а

1Т

о

е

н =

О

и

1_

е ю 12

Длина волны (мкм)

Июнь Июль Август Сентябрь |

лИЛиА А.

аАА____

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента пропускания атмосферы от длины волны

Представленные данные показывают, что в период с июня по сентябрь, значения коэффициента пропускания атмосферы отличаются незначительно. Только в июне коэффициент пропускания атмосферы в диапазоне длин волн от 8

до 13 мкм выше, поскольку июнь характеризуется самым низким содержанием влаги в атмосфере.

Для расчета падающей солнечной энергии, поглощаемой покрытием, были рассчитаны значения солнечного излучения для середины каждого летнего месяца, которые представлены на графике в соответствии с рисунком 3.

3 2

I 2 § Ё

| I I 3

а

№

05:Ю — 09:00 12:00 1»00 18:00

¡0

о о Е У Я 830 600

В У к М = г я -ч 2! 400 200

н 000

5 3

га г аоо

§ 5 = = 600

а н 41)0

с и 200 0

-12:00 15:00

15 2 2.5

Длина волны (мкм)

Длина волны (мкм)

Длина волны (мкм)

Длина волны (мкм)

Рисунок 3 - Значения солнечной освещенности в середине каждого месяца

Результаты расчета охлаждающей мощности многослойного покрытия (РСОо1), при температуре поверхности, равной температуре окружающей среды, представленные на графике в соответствии с рисунком 4 показали, что многослойное покрытие позволяет достичь максимальную охлаждающую способность (37 Вт/м2) в ночное время, в летние месяцы, в климатических условиях Латакии. Температура поверхности многослойного покрытия ночью ниже, чем средняя температура окружающей среды примерно на 3 градуса. Для достижения значимого дневного радиационного охлаждения средний коэффициент отражения солнечного излучения должен составлять более 95 %, в то время как исследуемое покрытие имеет средний коэффициент отражения солнечного излучения порядка 94 %. Однако, не обеспечивая охлаждение помещений в дневное время, покрытие

уменьшает количество поглощенной солнечной энергии, что позволяет уменьшить тепловую нагрузку на помещение.

Рисунок 4 - Охлаждающая мощность покрытия радиатора (Рсоо1)

Разработанная модель позволяет определить эффективное покрытие для систем дневного радиационного охлаждения в любых климатических условиях.

Третья глава посвящена определению вклада теплоаккумулирующей стены с водяным теплообменником в снижение тепловой нагрузки на кондиционирование воздуха жилых зданий в климатических условиях Латтакии. Для этого проведено математическое моделирование двух жилых комнат, одна из которых является традиционной, а другая имеет теплозащитную стену с водяным теплообменником, с помощью программы ТИКБУБ. Программа позволяет имитировать тепловые

потоки в здании в соответствии с заданными условиями, определять величину тепловой нагрузки, изменение температуры помещения и оптимальные параметры теплообменника.

Комнаты, размером 2 х 3 х 3 м, имеют окна размером 1*1,5 м на восточной стене. Стены эталонной комнаты состоят из трех слоев: внутренний и наружный слой состоят из бетонного раствора, толщиной 2 см, средний слой состоит из бетонного блока, толщиной 20 см.

Наружные стены комнаты, имеющей теплоаккумулирующую стену с водяным теплообменником, аналогичны стенам эталонной комнаты. Внешняя южная теплоаккумулирующая стена с водяным теплообменником состоит из трех слоев: первый бетонный пустотелый слой состоит из двух рядов бетонных блоков толщиной по 10 см, между которыми расположены трубы теплообменника, образующие активный слой и бетонный раствор толщиной 2 см, образующий внутренний и внешний слои.

Имитационное моделирование для летнего периода (с 1 июня по 15 сентября), с интервалом времени в один час, для обеих комнат было выполнено с использованием климатических данных города Латтакия. Значения мгновенной солнечной радиации, падающей на поверхность, и климатические данные Латтакии были получены в Meteonorm.

При моделировании лучистой системы охлаждения с теплоаккумулирующей стеной учитывался «активный слой», в который встроен теплообменник. Схема модели тепловой сети показана на рисунке 5. «Активный слой» описывается 5 параметрами: наружным диаметром труб, толщиной стенки трубы, теплопроводностью материала труб, расстоянием между трубами, удельным коэффициентом теплопроводности воды. При расчете длины трубы учитывается количество петель.

Результаты математического моделирования показали, что наиболее эффективными направлениями расположения теплоаккумулирующей стены являются юг и восток, где коэффициент энергосбережения составляет 47 - 45 %. Оптимальное значение наружного диаметра труб составляет 20 мм, для расхода

воды 110 кг/(ч-м2). Оптимальное расстояние между трубами составляет 0,1 м; при этом коэффициент энергосбережения равен 50 %.

Площадь поверхности теплообменника составляет 3,77 м2. Максимальный коэффициент энергосбережения (50 %) достигается при массовом расходе воды 80 -110 кг/(ч*м2).

Як1 [Кк2 [ ЯЛ+Яс

в: с Е ЕЕ Я №

£ Я

В

Бетонный раствор

и-1

Блок бетонный пустотелый

Воздушная прослойка

И =

Рисунок 5 - Модель тепловой сети

При анализе влияния температуры воды, поступающей в теплообменник, на эффективность охлаждения помещения, учитывался температурный интервал, принятый в системе водоснабжения зданий в Сирии (20 - 25 °С). Результаты расчета показывают, что максимальный коэффициент энергосбережения (72,33 %) может быть получен при температуре воды на входе в теплообменник, равной 15 °С. При этом расход воды составляет 0,275 кг/с. Вода, с температурой 15 °С, может быть получена из системы ночного радиационного охлаждения на крыше здания.

Результаты исследования влияния теплоаккумулирующей стены на температуру воздуха в комнате, в летний период представлены на графике в соответствии с рисунком 6. Из полученных данных видно, что снижение температуры воздуха в комнате с теплоаккумулирующей стеной составляет от 2,9 до 4,02 °С.

Рисунок 6 - Влияния теплоаккумулирующей стены на температуру воздуха в

комнатах

Для проверки адекватности математического моделирования были проведены экспериментальные исследования двух комнат, в стену одной из которых был встроен теплообменник. Параметры теплообменника были приняты в соответствии с результатами моделирования: расход воды внутри труб составлял 20 кг/(ч-м2), расстояние между трубами - 0,1 м, наружный диаметр труб - 20 мм. Измерение температуры воздуха в комнатах проводилось с использованием датчиков температуры.

Сравнение температуры воздуха, полученной с помощью моделирования, с температурой, измеренной при натурном исследовании, в комнате с теплоаккумулирующей стеной, в течении дня, представлено на графике в

соответствии с рисунком 7. Из полученных данных следует, что при использовании теплоаккумулирующей стены с водяным теплообменником, температура воздуха в помещении снижается на 3 - 4 °С.

Разница между расчетными и экспериментально полученными значениями температуры составила 1 - 1,54 °С. На графике в соответствии с рисунком 8 показано изменение температуры воды на входе и выходе из теплообменника, которое в дневные часы составляло от 2,8 до 3,8 °С.

Полученные в результате работы данные могут быть использованы при проектировании зданий в южных регионах, имеющих ограниченные ресурсы электро- и водоснабжения. Данная технология может быть использована при проектировании гибридных систем кондиционирования воздуха.

Результат моделирования

Результат эксперимента

Разница между температурой в результате моделирования и эксперимента

35

30

25

и

н 20

15

10

1.5 1 1.. 54

1.26 1.42 1.37 !3 1.1: 1 1.26 0.99 ~~1 А

Г 99 0.97 Л П1 0.62 0.76 о: 1.04 76

0.5! 0.78 0.66 0.51 0.81

0.31

1.8 [°С]

1.6

1.4

1,2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

10 11 12 13 14 15 16

Время (1) [ч]

17

18

19

20

21

Рисунок 7 - Сравнение температуры воздуха в комнате, оборудованной

теплоаккумулирующей стеной

'Результат моделирования

'Результат эксперимента.

1>

4

о И

я и

5 '6 к к

3 £

4 £ 0 з

« Ю

® И "

с В и п

о

Л

ш

10

3.2 2.8 3|4 3.8

1 8(/ Щ 3.0? 2.67 3.17 .9

( 1.77

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Время (1) [ч]

Рисунок 8 - Разность температуры воды на входе и выходе из

теплообменника

Четвертая глава посвящена оценки эффективности систем кондиционирования воздуха помещений на базе радиационного и лучистого охлаждения. Схема пассивной системы кондиционирования воздуха показана на рисунке 9.

Схема гибридной системы кондиционирования воздуха с использованием радиационного охлаждения представлена на рисунке 10.

Система включает в себя два гидравлических контура: контур радиационного охлаждения и контур охлаждения помещений. Контур радиационного охлаждения имеет встроенный в крышу радиатор (1), обеспечивающий круглосуточное охлаждение воды в теплообменнике. Циркуляцию воды между радиатором и резервуаром для хранения воды (3) осуществляют с помощью насоса с постоянной скоростью (2). Контур охлаждения помещения состоит из резервуара для хранения

холодной воды (3), теплоаккумулирующей стены с водяным теплообменником (6, 11), холодильной машины (5) и усовершенствованной системы управления, которая имеет три двухпозиционных автоматический клапана (4, 8, 9), обеспечивающих три режима работы. Циркуляцию воды между теплообменником в стене и резервуаром для хранения воды осуществляют с помощью насоса с переменной скоростью (7).

Рисунок 9 - Схема системы кондиционирования воздуха с использованием

радиационного охлаждения

1- радиатор; 2- насос с постоянной скоростью; 3- резервуар для хранения холодной воды; 4- дросселирующий вентиль; 5-теплоаккумулирующая стена с водяным теплообменником; 6- южная стена; 7- кондиционер; 8- насос с переменной скоростью; 9- крыша; 10- охлаждаемое помещение.

Для оценки энергетических показателей систем радиационного охлаждения использовали программу EnergyPlus 9.5. Программа позволяет рассчитать тепловой баланс здания (ASHRAE), обеспечивая при этом подробную модель на уровне зоны и системы и имеет системный модуль, который используют для моделирования систем кондиционеров воздуха.

Рисунок 10 - Схема гибридной системы кондиционирования воздуха

1-радиатор; 2- насос с постоянной скоростью; 3- резервуар для хранения холодной

воды; 4,8,9- дросселирующие вентили; 5- холодильная машина; 6-теплоаккумулирующая стена с водяным теплообменником; 7- насос с переменной скоростью; 10- крыша; 11- южная стена; 12- охлаждаемое помещение

В качестве объекта моделирования было рассмотрено типичное офисное помещение с теплоаккумулирующей стеной с заданными температурами нагрева воздуха зимой до 22 °C и охлаждения летом до 24 °C. При моделировании использовали данные климатических условий в городах Латакия и Дамаск летом 2020 года (с 1 июня по 15 сентября). Латакия находится в зоне умеренного средиземноморского климата, среднее значение относительной влажности составляет 70,37 %. Дамаск расположен в зоне континентального климата, среднее значение относительной влажности 46,16 %. Климатические условия моделировали с использованием связанных файлов погоды TMY3 (Typical Meteorological Year). Поскольку в программе EnergyPlus не предусмотрен расчет встроенного в крышу радиатора, для создания модели радиатора, использовали модуль системы управления энергопотреблением (EMS). Для расчета температуры воды и температуры поверхности радиатора была принята дискретная модель теплообменника и уравнения, предложенные в работах [107, 155].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дженблат Силвана, 2022 год

Список источников

1. Дженблат С. С., Волкова О. В. Основы и перспективы применения пассивного радиационного охлаждения // Холодильная техника. 2019. № 9. С. 36 — 44.

2. Цой А П., Бараненко А. В., Эглит А. Я. Использование эффективного излучения в холодильной системе открытого ледового катка // Вестник Международной академии холода. 2012. № 4. С. 8-11.

3. Цой А П., Грановский А. С., Цой ДА [и ДР-]- Влияние климата на работу холоди\ьной системы, использующей эффективное излучение в космическое пространство // Холодильная техника. 2014. № 12. С. 36 — 41.

4. Цой А П., Грановский А С., Бараненко А В. [и др.]. Расчет величины эффективной холодопроизводительности холодильной системы, использующей охлаждающий эффект небосвода // Вестник Международной академии холода. 2014. № 3. С. 35-40.

5. Цой А П., Грановский А С., Бараненко А В. Моделирование и математическая программа д\я расчета ве.\ичины эффективного излучения // Вестник Международной академии холода. 2014. № 1. С. 7-10.

6. Цой А П., Грановский А С., Мачуев Ю. И. [и др.]. Обзор проведенных экспериментальных исследований эффективного излучения холодильной системы в космическое пространство // Вестник Международной академии холода. 2015. № 3. С. 28-33.

7. Raman А Р., Апоша М A, Zhu L. [et al.]. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight // Nature. 2014. Vol. 515. P. 540 - 544. DOI: 10.1038/naturel3883.

8. Zhai Y., Ma Y., David S. N. [et al.]. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamatenal for daytime radiative coolmg // Science. 2017. Vol. 355, Issue 6329. P. 10621066. DOI: 10.1126/science.aai7899.

9. Goldstein E. A., Raman A P., Fan S. Sub-ambient non-evaporative fluid cooling with the sky // Nature Energy. 2017. Vol. 2. 17143. DOI: 10.1038/nenergy.2017.143.

10. Zhao D., Aili A, Ym X. [et al.]. Roof-integrated radiative air-cooling system to achieve cooler attic for building energy saving // Energy and Buildings. 2019. Vol. 203. 109453. DOI: 10.1016/j.enbuild.2019.109453.

11. Mandal J., Fu Y., Overvig A [et al.]. Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling // Science. 2018. Vol. 362, Issue 6412. P. 315-319. DOI: 10.1126/saence.aat9513.

12. Kou J.-I., Jurado Z., Chen Z. [et al.]. Daytime radiative cooling using near-black infrared emitters // ACS Photonics. 2017. Vol. 4, Issue 3. P. 626-630. DOI: 10.1021/acsphotomcs.6b00991.

13. Wong R. Y. M, Tso C. Y., Chao C. Y. H. [et al.]. Ultra-broadband asymmetric transmission metallic gratings for subtropical passive daytime radiative cooling // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2018. Vol. 186. P. 330 - 339. DOI: 10.1016/j.solmat. 2018.07.002.

14. Liu J., Zhang D., Jiao S. [et al.]. Daytime radiative cooling with clear epoxy resin // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2020. Vol. 207.110368. DOI: 10.1016/j.solmat.2019. 110368.

15. Bao H, Yan Ch., Wang B. [et al.]. Double-layer nanoparticle-based coatings for efficient terrestrial radiative cooling // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017. Vol. 168. P. 78-84. DOI: 10.1016/j.solmat.2017.04.020.

16. Zhitong Y., Yingyan I., Dikai X. [et al.]. Energy saving analysis of a transparent radiative cooling film for buildings with

roof glazing // Energy and Built Environment. 2021. Vol. 2, Issue 2. P. 214-222. DOI: 10.1016/].enbenv.2020.07.003.

17. Tso C. Y., Chan К. C., Cha C. Y. H. A field investigation of passive radiative cooling under Hong Kong's climate // Renewable Energy. 2017. Vol. 106. P. 52-61. DOI: 10.1016/]. renene.2017.01.018.

18. Gentle A R., Smith G. B. A subambient open roof surface under the mid-summer sun // Advanced Science. 2015. Vol. 2, Issue 9. 1500119. DOI 10.1002/advs.201500119.

19. Oliveira J. Т., Hagishima A, Tanimoto J. Estimation of passive cooling efficiency for environmental design in Brazil // Energy and Buildings. 2009. Vol. 41, Issue 8. P. 809-813. DOI: 10.1016/j.enbuild.2009.02.006.

20. Laatioui S., Benlattar M., Saadouni M. [et al.]. Zinc monochalcogenide thin films ZnX (X=Sr Se, Те) as radiative cooling materials // Optik. 2018. Vol. 166. P. 24-30. DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.04.004.

21. Karlessi T.f Santamouns M.r Apostolakis K. [et al.]. Development and testmg of thermochromic coatings for buildings and urban structures // Solar Energy. 2009. Vol. 83, Issue 4. P. 538-551. DOI: 10.1016/j.solener.2008.10.005.

22. Kumar A, Chowdhury A Reassessment of different antireflection coatings for crystalline silicon solar cell in view of their passive radiative cooling properties // Solar Energy. 2019. Vol. 183. P. 410-418. DOI: 10.1016/j.solener.2019.03.060.

23. Yin X., Yang R., Tan G. [et al.]. Terrestrial radiative cooling: Using the cold universe as a renewable and sustainable energy source // Science. 2020. Vol. 370, Issue 6518. P. 786-791. DOI: 10.1126/science. abb0971.

24. Mandal J., Jia M, Overvig A [et al.]. Porous Polymers with Switchable Optical Trans mi ttance for Optical and Thermal Regulation // Joule. 2019. Vol. 3, Issue 12. P. 3088 - 3099. DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.016.

25. Li Z., Chen Q., Song Y. [et al.]. Fundamentals, Materials, and Applications for Daytime Radiative Cooling // Advanced Materials Technology. 2020. Vol. 5, Issue 5. 1901007. DOI: 10.1002/admt.201901007.

26. Zeyghami M., Goswami D. Y.r Stefanakos E. A review of clear sky radiative coolmg developments and applications in renewable power systems and passive building cooling // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2018. Vol. 178. P. 115-128. DOI: 10.1016/j.solmat.2018.01.015.

27. Howell J. R, Pinar Menguc M, Siegel R. Thermal Radiation Heat Transfer. 6th ed. Boca Raton: CRC Press INC, 2015. 1016 p. ISBN 9780429190599.

28. Granqvist C. G., Hjortsberg A Radiative cooling to low temperatures: general considerations and application to selectively emitting SiO films // Journal of Applied Physics. 1981. Vol. 52, Issue 6. P. 4205 - 4220. DOI: 10.1063/1.329270.

29. MODTRAN. URL: http://modtran.spectral.com/modtran_ home (дата обращения: 01.12.2020).

30. Zhao D., Aili A, Zhai Y. [et al.]. Subambient cooling of water: toward real-world applications of daytime radiative cooling //Joule. 2019. Vol. 3, Issue 1. P. 111-123. DOI: 10.1016/j. joule.2018.10.006.

31. PV Lighthouse — Solar spectrum calculator. URL: https:// www.pvlighthouse.com.au/ (дата обращения: 15.12.2020).

32. Bom M., Wolf E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. 6th ed. Pergamon, 1980. 836 p. ISBN 9781483103204.

33. Yeh P. Optical waves in layered media. Hoboken: Wiley, 2005. 416 p. ISBN 978-0-471-73192-4.

34. Mackay T. G., Lakhtakia A The Transfer-Matrix Method in electromagnetics and optics. San Rafael: Morgan & Claypool Publ., 2020. 126 p. ISBN 9781681737928; 9781681737935; 9781681737942.

35. Werner W. S. M, Glantschmg K.f Ambrosch-Draxl C. Optical constants and inelastic election-scattering data for 17 elemental metals // Journal of Physical and Chemical Reference Data. 2009. Vol. 38, Issue 4. P. 1013- 1092. DOI: 10.1063/1.3243762.

UDC 621.575.013

DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-2-37-46

ESTIMATION OF MULTI-LAYER COATING EFFICIENCY FOR PASSIVE RADIATIVE COOLING

S. S. Jenblat, O. V. Volkova

ITMO University, Russia, Saint Petersburg, Kronverksky Ave., 49, 197101

Passive radiative cooling is a promising direction in energy conservation and environmental protection. One of the ways to increase the efficiency of radiative cooling systems is the use of multi-layer coatings. In recent years, several novel materials with high emissivity have been proposed, which allow the creation of radiators that provide an average daily cooling power of approximately 100 W/m2 during daytime. Based on the developed mathematical model, the optical properties of the multi-layer coating for the radiative cooling system were evaluated by the Transfer Matrix Method and the effectiveness of radiative cooling was determined due to the use of the multi-layer coating in the climatic conditions of Syria (Latakia). The results of modeling the atmospheric transmittance in the summer months in Syria (Latakia) are presented. The developed mathematical model, methods for modeling atmospheric transmittance, calculating solar radiation, and evaluating the optical properties of multi-layer coating, allow determining an effective multi-layer coating for radiative cooling systems in any climatic conditions.

Keywords: passive radiative cooling, multi-layer coating, atmospheric transmittance. Transfer Matrix Method, Syria (Latakia).

References

1. Jenblat S. S.f Volkova O. V. Osnovy i perspektivy pnmeneniya passivnogo radiatsionnogo okhlazhdeniya [Fundamentals and prospects for the use of passive radiation cooling] // Kholodil'naya tekhmka. Kholodilnaya Tekhnika. 2019. No. 9. P. 36 - 44. (InRuss.).

2. Tsoy A P., Baranenko A V., Eglit A. Ya. Ispol'zovaniye effektivnogo izlucheniya v kholodil'noy sisteme otkrytogo ledovogo katka [The use of effective radiation m the refrigeration system of an open ice skating rink] // Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2012. No. 4. P. 8-11. (In Russ.).

3. Tsoy A P., Granovsky A S., Tsoy D. A [et al.]. Vliyaniye klimata na rabotu kholodil'noy sistemy, ispol'zuyushchey effektivnoye izlucheniye v kosmicheskoye prostranstvo [Influence of climate on the operation of a refrigeration system using effective radiation into outer space] // Kholodil'naya tekhmka. Kholodilnaya Tekhnika. 2014. No. 12. P. 36-41. (InRuss.).

4. Tsoy A. P., Granovsky A S.r Baranenko A V. [et al.]. Raschet velichiny effektivnoy kholodoproizvoditel'nosti kholodil'noy sistemy, ispol'zuyushchey okhlazhdayushchiy effekt nebo-svoda [Calculation of effective refngeration capacity for refrigeration system using mght sky radiant cooling] // Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2014. No. 3. P. 35 - 40. (In Russ.).

5. Tsoy A P., Granovsky A S.r Baranenko A V. Modeli-rovaniye î matematicheskaya programma dlya rascheta velichiny effektivnogo izlucheniya [Simulation and a mathematical program for calculating the value of effective radiation] // Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2014. No. 1. P. 7-10. (In Russ.).

6. Tsoy A P., Granovskiy A. S., Machuev Yu. I. [et al.]. Obzor provedennykh ekspenmental'nykh issledovaniy effektivnogo izlucheniya kholodil'noy sistemy v kosmicheskoye prostranstvo [Experimental research of refrigerating system effective radiation into space] // Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refngeration. 2015. No. 3. P. 28-33. (InRuss.).

7. Raman A P., Anoma M A, Zhu L. [et al.]. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight // Nature. 2014. Vol. 515. P. 540-544. DOI: 10.1038/naturel3883. (In Engl.).

8. Zhai Y., Ma Y., David S. N. [et al.]. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling // Science. 2017. Vol. 355, Issue 6329. P. 10621066. DOI 10.1126/science.aai7899. (In Engl.).

9. Goldstein E. A., Raman A P., Fan S. Sub-ambient non-evaporative fluid cooling with the sky // Nature Energy. 2017. Vol. 2. 17143. DOI: 10.1038/nenergy.2017.143. (In Engl.).

10. Zhao D., Aili A, Yin X. [et al.]. Roof-integrated radiative air-cooling system to achieve cooler attic for building energy saving // Energy and Buildings. 2019. Vol. 203. 109453. DOI 10.1016/j.enbuild.2019.109453. (In EngL).

11. Mandal J., Fu Y., Overvig A [et al.]. Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling // Science. 2018. Vol. 362, Issue 6412. P. 315-319. DOI: 10.1126/science.aat9513. (In Engl.).

12. Kou J.-I., Jurado Z., Chen Z. [et al.]. Daytime radiative cooling using near-black infrared emitters // ACS Photonics. 2017. Vol. 4, Issue 3. P. 626 - 630. DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00991. (In Engl.).

13. Wong R. Y. M, Tso C. Y., Chao C. Y. H. [et al.]. Ultra-broadband asymmetric transmission metallic gratings for subtropical passive daytime radiative cooling // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2018. Vol. 186. P. 330 - 339. DOI 10.1016/j.solmat.2018.07.002. (In Engl.).

14. Liu J., Zhang D., Jiao S. [et al.]. Daytime radiative cooling with clear epoxy resin // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2020. Vol. 207.110368. DOI: 10.1016/j.solmat.2019.110368. (In Engl.).

15. Bao H, Yan Ch., Wang B. [et al.]. Double-layer nanoparticle-based coatings for efficient terrestrial radiative cooling // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017. Vol. 168. P. 78-84. DOI: 10.1016/].solmat.2017.04.020. (In Engl.).

16. Zhitong Y., Yingyan I., Dikai X. [et al.]. Energy saving analysis of a transparent radiative cooling film for buildings with roof glazing // Energy and Built Environment. 2021. Vol. 2, Issue 2. P. 214-222. DOI: 10.1016/j.enbenv.2020.07.003. (In Engl.).

17. Tso C. Y„ Chan K. C., Cha C. Y. H. A field investigation of passive radiative cooling under Hong Kong's climate // Renewable Energy. 2017. Vol. 106. P. 52-61. DOI: 10.1016/]. renene.2017.01.018. (In Engl.).

18. Gentle A. R., Smith G. B. A subambient open roof surface under the mid-summer sun // Advanced Science. 2015. Vol. 2, Issue 9. 1500119. DOI: 10.1002/advs.201500119. (In Engl.).

19. Oliveira J. T.F Hagishima A, Tanimoto J. Estimation of passive cooling efficiency for environmental design in Brazil // Energy and Buildings. 2009. Vol. 41, Issue 8. P. 809 - 813. DOI: 10.1016/j.enbuild.2009.02.006. (In Engl.).

20. Laatioui S., Benlattar M., Saadoum M [et al.]. Zinc monochalcogenide thin films ZnX (X=S, Se, Te) as radiative cooling materials // Optik. 2018. Vol. 166. P.24 - 30. DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.04.004. (In Engl.).

21. Karlessi T., Santamouris M., Apostolakis K. let al.]. Development and testing of thermochromic coatings for buildings and urban structures // Solar Energy. 2009. Vol. 83, Issue 4. P. 538-551. DOI: 10.1016/j.solener.2008.10.005. [In Engl.).

22. Kumar A, Chowdhury A Reassessment of different antireflection coatings for crystalline silicon solar cell in view of their passive radiative cooling properties // Solar Energy. 2019. Vol. 183. P. 410-418. DOI: 10.1016/j.solener.2019.03.060. (In Engl.).

23. Yin X., Yang R., Tan G. [et al.]. Terrestrial radiative cooling: Using the cold universe as a renewable and sustainable energy source // Science. 2020. Vol. 370, Issue 6518. P. 786-791. DOI: 10.1126/science.abb0971. (In Engl.).

24. Mandal J., Jia M., Overvig A (et al.]. Porous Polymers with Switchable Optical Transmittance for Optical and Thermal Regulation // Joule. 2019. Vol. 3, Issue 12. P. 3088 - 3099. DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.016. (In Engl.).

25. Li Z., Chen O., Song Y. [et al.]. Fundamentals, Materials, and Applications for Daytime Radiative Cooling // Advanced Materials Technology. 2020. Vol. 5, Issue 5. 1901007. DOI: 10.1002/admt.201901007. (In Engl.).

26. Zeyghami M., Goswami D. Y., Stefanakos E. A review of clear sky radiative coolmg developments and applications in renewable power systems and passive building cooling // Solar Energy Matenals and Solar Cells. 2018. Vol. 178. P. 115-128. DOI: 10.1016/j.solmat.2018.01.015. (In Engl.).

27. Howell J. R., Pinar Menguc M-, Siegel R. Thermal Radiation Heat Transfer. 6th ed. Boca Raton: CRC Press INC, 2015. 1016 p. ISBN 9780429190599. (In Engl.).

28. Granqvist C. G., Hjortsberg A Radiative coolmg to low temperatures: general considerations and application to selectively emitting SiO films // Journal of Applied Physics. 1981. Vol. 52, Issue 6. P. 4205 - 4220. DOI. 10.1063/1.329270. (In Engl.).

29. MODTRAN. URL: http://modtran.spectral.com/modtran_ home (accessed: 01.12.2020). (In Engl.).

30. Zhao D., Aili A, Zhai Y. [et al.]. Subambient cooling of water: toward real-world applications of daytime radiative cooling //Joule. 2019. Vol. 3, Issue 1. P. 111-123. DOI: 10.1016/). joule.2018.10.006. (In Engl.).

31. PV Lighthouse — Solar spectrum calculator. URL: https:// www.pvlighthouse.com.au/ (accessed: 15.12.2020) (In Engl.).

32. Bom M.F Wolf E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. 6th ed. Pergamon, 1980. 836 p. ISBN 9781483103204. (In Engl.).

33. Yeh P. Optical waves in layered media. Hoboken: Wiley, 2005. 416 p. ISBN 978-0-471-73192-4. (In Engl.).

34. Mackay T. G., Lakhtakia A The Transfer-Matrix Method in electromagnetics and optics. San Rafael: Morgan & Claypool Publ., 2020. 126 p. ISBN 9781681737928. 9781681737935, 9781681737942. (In Engl.).

35. Werner W. S. M, Glantschmg K„ Ambrosch-Draxl C. Optical constants and inelastic election-scattering data for 17 elemental metals // Journal of Physical and Chemical Reference Data. 2009. Vol. 38, Issue 4. P. 1013- 1092. DOI 10.1063/1.3243762. (In Engl.).

36. Gao L., Lemarchand F., Lequime M. Exploitation of multiple incidences spectrometric measurements for thin film reverse engineering // Opt. Express. 2012. Vol. 20, Issue 14. P. 15734-15751. DOI: 10.1364/OE.20.015734. (In Engl.).

37. Yang H U„ D'Archangel J., Sundheimer M. L. [et al.]. Optical dielectric function of silver // Physical Review B. 2015. Vol. 91, Issue 23. 235137. DOI: 10.1103/PhysRevB.91.235137. (In Engl.).

38. Rodriguez-de Marcos L. V., Larruquert J. I., Mendez J. A [et al.]. Self-consistent optical constants of Si03 and Ta^Oj films // Optical Materials Express. 2016. Vol. 6, Issue 11. P. 3622 - 3637. DOI: 10.1364/OME.6.003622. (In Engl.).

39. Kischkat J., Peters S., Gruska B. [et al.]. Mid-infrared optical properties of thin films of aluminum oxide, titanium dioxide, silicon dioxide, aluminum nitride, and silicon nitride // Applied Optics. 2012. Vol. 51, Issue 28. P. 6789-6798. DOI: 10.1364/AO-51.006789. (In Engl.).

40. Bright T. J., Watjen J. I., Zhang Z. M. [et al.]. Optical properties of Hf03 thin films deposited by magnetron sputtering: from the visible to the far-infrared // Thin Solid Films. 2012. Vol. 520, Issue 22. P. 6793 - 6802. DOI: 10.1016/j.tsf.2012.07.037. (In Engl.).

JENBLAT Silvana Suheil, Graduate Student, Energy and Ecotechnology Faculty.

Correspondence address: [e-mail]

VOLKOVA Olga Vladimirovna, Doctor of Technical

Sciences, Associate Professor of Research and

Educational Center of Chemical Engineering and

Biotechnology.

SPIN-code: 5907-6984

AuthorlD (RSCI|: 689163

AuthorlD (SCOPUS): 56900839600

Correspondence address: [e-mail]

For citations

Jenblat S. S., Volkova O. V. Estimation of multi-layer coating efficiency for passive radiative cooling // Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2021. Vol. 5, no. 2. P. 37 - 46. DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-2-37-46.

Received March 18, 2021. © S. S. Jenblat, O. V. Volkova

УДК

Passive radiative cooling systems using coatings S. Jenblat

(St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optic)

Supervisor - Dr. Sc., Professor O. V.Volkova (St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optic)

At present, the focus should be on the use of renewable energy. Radiation cooling is one of the passive methods used to reduce energy consumption and protect the environment. Passive cooling includes technologies and design features designed to cool buildings with minimal energy consumption, allows to use simple and inexpensive equipment to ensure comfort in regions with hot climates and can be used to store food, liquids and other materials at a temperature below the ambient temperature.

Radiative cooling is a veiy well-known cooling technique as it was used during the ancient time to produce ice and cool spaces. It is based on the potential of the terrestrial structures to dissipate heat From its outer surface to a lower temperature.. The ability to modify the radiative properties of an object is of great interest and important in various areas of engineering and applied physics. The thermal emission/absorption spectra of a body can be changed by altering the geometry of the structure and the material used.

Past research on radiative cooling was aiming at identifying natural or creating composite materials insures specific properties, where ideal materials for radiative cooling should present: (a) The maximum possible reflectivity in the short-wave range (0.25-2.8 цт, with the majority of the solar power available between 0.3 and 2.2 цт); and (b) emissivity in the atmospheric window band close to unity (8-13 цт) and zero in the rest of the thermal wavelength range (4-80 pm).at least as close as possible. Research was oriented towards the use of commercially available polymers, metals, gases, or simply synthesized composite materials to form a radiative cooler. The dependency on inherent properties of natural or composite materials or, in other words, the incapability to precisely control their optical spectrum significantly limits the cooling performance, hi facts, very few structures achieved Tow temperature of outer surface than ambient temperature in daytime conditions, but most of the proposed structures demonstrate the desired results clearly during the night period.

Newly proposed passive systems of radiative cooling like advanced paints, offer a high potential for radiative cooling at considerably low prices, passive radiative cooling systems using paints do not making use of expensive materials like silver while are available in a simple and easy to use a paint fonnat, and it's a solution process the coating can be very easily applied to many different substrates such as concrete, metal, plastic and wood.

The goal of the research evaluates the thermal and optical performance of the coating used for passive radiation cooling , determine the best materials used in the composition of the coating , determine the proportion of each of these materials within it, and then determine the optimum thickness of the coating.

Previous studies have suggested low refractive index microspheres of Si02 is found to present an absorptivity in the shortwave range of less than 0.03, while its emissivity in the atmospheric window spectrum was higher than 0.95. The absorptivity of the radiator in the solar spectrum was 0.02, day time surface temperature depression below ambient temperature 12 °C . Other studies have found that a material for passive daytime radiative cooling vinylidene fluoride-coliexafluoropropeue (P(VdF-HFP)HP), it causes reflectance iu the solar spectrum is close to 0.96 while its emissivity in the atmospheric window is 0.97, and shown a daytime temperature

Y^K621.565.95

Technical and economic efficiency of passive cooling systems. Jenblat S. S

(National Research University ITMO), St. Petersburg, st. Lomonosov 9

Supervisor - Dr. Sc., Volkova O. V (National Research University ITMO), St. Petersburg,st. Lomonosov 9

Passive cooling is a set of natural processes and techniques to reduce indoor temperatures, through exploitation of all elements of building materials. Passive cooling techniques are aimed to achieve the thermal comfort conditions in the building.

Introduction

About 40% of the entire world's annual energy consumption is expend on cooling industrial and residential buildings. Recently, alternative energy sources, especially passive cooling, have been increasingly used for these purposes.

The passive cooling of buildings is categorized as follows:

Reducing radiative heat load on the building

Solar radiative heat load contributes most to the overall heat load of a building. The complete or partial, permanent or temporary exclusion of solar radiation from surfaces of the buildings will significantly reduce the heat load ou the building. A reduction in radiation load can be achieved through the following techniques:

• Shading systems.

• Glazing.

• Radiant heat barriers.

Stabilization of the heat load in the building

The thermal load control of a building could be achieved by two methods.

In the first method the thermal mass of a building absorbs heat during the day and regulates the magnitude of indoor temperature swings, reduces peak cooling load and transfers a part of the absorbed heat to the ambient in the night hours. For these purposes, use the following methods and systems:

1- Thermal mass in the construction material (Without thermal energy storage).

2- Thermal mass using Phase change materials based systems (With thermal energy storage).

3- Heat sinks.

4- Passive cooling shelter.

In the second method the building is pre-cooled during the night by night ventilation. This is enough to create comfortable conditions in the morning, thus reducing energy consumption for cooling by close to 20%.

Night ventilation techniques are based on the use of the cool ambient air to decrease the indoor air temperature as well as the temperature of the building's structure. The cooling efficiency of night ventilation is based mainly on the relative difference between indoor and outdoor temperatures dining the night, the air flow rate, and the thermal capacity of the building.

Heat dissipation from a building

Heat dissipation from the building is achieved:

• Natural ventilation.

• Eco-evaporation cooling.

• Ground cooling.

• Radiative cooling.

• Solar-assisted ail conditioning system.

Economic and technical feasibility of use some passive cooling systems in a dwelling.

As an example, the economic and technical indicators of some of the presented methods of passive cooling of buildings ar e estimated

The feasibility of shading systems the residential sector is high approximately up to 500 € for a 120 nr building at the stage of implementation, low maintenance need) but characterized by the relative easiness of application. Radiant heat barriers currently do not have a high cost benefit (a balance between the benefits and the cost). This is based on terms of implementation and maintenance. For instance, green roof prices are ranged in 30-60 €/m2, coating roofs in 20-30 €/m2 and inherently cool roofs up to 80 €/m2, without counting maintenance.

The cost of the shelters, which range from 500 to 20000 € depending on factors various. Regarding Heat sinks costs, hi general, ground and bodies of water have the advantage of being relatively affordable to implement, while a masonry or a Phase change materials massive body for cooling a 140 nr building can cost up to 3000 €. Building thermal capacity, as high heat capacity materials have a wide costs range at the stage of purchase and implementation (an additional cost for a regular building is ranging from 500 to 3000€ for a 120 m2 building) the economic feasibility depends on the necessities and purchasing power of each particular, taking into account that the implementation occurs only once (construction stage) with very low maintenance and operating costs at the stage of operation.

Wind catchers and solar chimneys can have a cost up to approximately 1000 € each, while night and controlled ventilation have no extra cost at the stage of implementation. Also, there is a high cost-benefit at the stage of design, function and maintenance. Eco-evaporative cooling is a "low cost" technology compared with active evaporation cooling (one ceramic porous wall to cool 120 nr can cost approximately 1800 € at the stage of implementation, with the advantage of having practically no maintenance). Regarding the cost and feasibility of implementation solar-assisted AC, a system suitable for a dwelling of 4-5 occupants has a benchmark price of 6800 €, being approximately 3 times more expensive than a traditional air conditioning system

The recent concept of energy efficient Green buildings attracted all the researchers to switch over from the present practice of mechanical cooling to passive cooling methods in an efficient modern way. It is found that, for some outdoor conditions, passive methods such as passive cooling shelters, wind towers and solar-assisted air conditioning can decrease the indoor temperature as much as active cooling methods do.

Supervisor Dr. Sc., Professor O. V. Volkova

Author S.S. Jenblat

Верификация математической модели была проведена по экспериментальным данным [3] для кппенпя с недогревом воды в горизонтальном канале. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало хорошую согласованность результатов.

Охлаждающая жидкость Адиабатический интерфейс *

ж

S«r.t U

\ ^__^ Деталь двигателя

Рис. 1. Расчетная схема для численного моделирования сопряженного теплообмена при кипении с недогревом

С помощью разработанных математической модели и методики проведен расчет теплового состояния среднеоборотного дизеля 12ЧН26.5/31 (Д500) на режиме максимальной мощности при среднем эффективном давлешш 27 бар. В результате расчетных исследований определены максимальные температуры теплонапря-женных деталей двигателя, а также максимальные плотности теплового потока в охлаждающую среду. Отмечено, что кипение жидкости реализуется на теплоотдающнх поверхностях огневого днища и выпускного канала крышки цилиндра, при этом пленочный режим кипения не достигается, теплоотдача происходит в режиме раз-BirToro пузырькового кипения жидкости. Предложены меры по нормализации теплового состояния крышки цилиндра среднеоборотного дизеля.

Библиографический список

1. 300 bar Peak Firing Pressure for a New Generation of Diesel and Gas Engines / G. Figer, K. Schmidleitner, M. Schonbacher [et al.] // MTZ Worldwide. - 2019. - Vol. 80, no. 6. - P. 66-71.

2. Chen, J. C. Correlation for boiling lieat transfer to saturated fluids in convective flow/ J. C. Chen//Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development. - 1966. - Vol. 5, no. 3. - P. 323-329.

3. Steiner, H. A wall heat transfer model for subcooled boiling flow / H. Steiner, A. Kobor, L. Gebhard // International Journal of Heat Mass Transfer. - 2005. - Vol. 48. - P. 4161-4173.

УДК 536.33

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ РАДИАЦИОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Дженблат С.С.1, Волкова О.В.1

1 Национальный исследовательский университет ИТМО, (Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова 9)

Радиационное охлаждение является одним из пассивных методов, используемых для снижения потребления энерпш и защиты окружающей среды. Пассивное радиационное охлаждение включает технолопш и конструктивные решения, разработанные для охлаждения зданий с минимальным потреблением энерпш и может внести значительный вклад в снижение глобального потепления при реализащш в больших масштабах. Оно позволяет использовать простую и недорогую технику для обеспечения комфортной температуры в поме-

щеннях h может быть использовано для хранення овощей, фруктов, продуктов пнтанпя при температуре ниже температуры окружающей среды. В последние годы предложено большое количество новых материалов с высокой излучающей способностью, обеспечивающих среднюю суточную мощность охлаждения до 100 Вт/м" в дневное время [1,2]. Однако в литературе отсутствует научно обоснованная методика выбора наиболее эффективного покрытия для разных климатических условий.

Целью настоящей работы является исследование эффективности радиационного охлаждения путем моделирования пропускания атмосферы в летние месяцы и оценка эффективности использования многослойного покрытия, предложенного Раманом [3], в Ciipini (Латакия).Сирия относится к странам с высоким потенциалом радиационного охлаждения (больше 100 Вт/м") [4].

Коэффициент пропускания атмосферы зависит от количества водяного пара в вертикальном столбе атмосферы и массы воздуха. С помощью демо-версш1 MODTRAN был определен коэффициент пропускания инфракрасного излучения атмосферы в Латакпп. Представленные данные показывают небольшое отличие значений коэффициента пропускания атмосферы в период с июня по сентябрь. Это объясняется тем, что значения общего количества водяного пара в воздушном столбе н содержания газов в атмосфере в летние месяцы близки. При этом коэффициент пропускания атмосферы в диапазоне дшш волн от 8 до 13 мкм в нюне выше, чем в остальные месяцы.

Анализ спектрального поведения материалов и оценка оптических свойств покрытия проводилась методом перехода-матрпца (ТММ) [5]. Оценка эффективности охлаждения при нспользовашш исследуемого покрытия проводилась по величине чистой охлаждающей способности с учетом изменяющейся температуры поверхности, относительно температуры окружающей среды.

Для оценки эффективности радиационного охлаждения, учитывается температура, при которой охлаждающая способность покрытия равна нулю. Мощность радиационного охлаждения увеличивается, когда разница между температурой конструкщш и температурой окружающей среды положительна.

Полученные результаты показали стабильное снижение температуры в ночное время. При этом температура поверхности многослойного покрытия ниже, чем средняя температура окружающей среды примерно на 3 °С. В течение дня температура покрытия не понижается из-за наличия значительного солнечного излучения, поверхность покрытия нагревается выше температуры окружающей среды примерно на 4 "С.

Результаты расчета охлаждающей мощности многослойного покрытия показали, что при равенстве температуры поверхности покрытия и температуры окружающей среды, многослойное покрытие позволяет достичь максимальную охлаждающую способность (37 Вт.м " ) в ночное время, в летние месяцы. Для достижения значимого дневного радиационного охлаждения средний коэффициент отражения солнечного излучения должен составлять более 95%, в то время как исследуемое покрытие имеет средний коэффициент отражения солнечного излучения порядка 94%. Однако, не обеспечивая охлаждение помещений в дневное время, покрытие уменьшает количество поглощенной солнечной энерпш, что позволяет уменьшить тепловую нагрузку на помещение.

Представленные в работе методики моделирования атмосферного пропускания, расчета солнечного излучения, оценки оптнческнх свойств покрытий с использованием метода перехода - матрица, позволяют определить эффективное покрытие для систем дневного радиационного охлаждения в любых климатических условиях.

Библиографический список

1. Howell, J. R. Thermal Radiation Heat Transfer / J. R. Howell, R. Siegel, M. P. Mengiiç. - CRC Press INC, 2015.-987 с.

2. Jenblat, S. S. Fundamentals and perspectives of the use of passive radiation cooling / S. S. Jenblat, О. V. Volkova // Kholodilnaia Tekhnika. - 2019 . - Vol. 9 . - P. 36-44.

3. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight / A. P. Raman, M. A. Anoma, L. Zhu [et al.] // Nature. - 2014. - Vol. 515. -P. 540-544.

4. Terrestrial radiative cooling: Using the cold universe as a renewable and sustamable energy source / X. Yin, R. Yang, G. Tan, S. Fan// Science. -2020. - VoL 370. - P.786-791.

5. Mackay, T. The Transfer-Matrix Method in electromagnetics and optics / T. Mackay, A. Lakhtakia. - Morgan & Claypool Publishers, 2020. - 126 c.

УДК 621.56

ПОВЫШЕНИЕ 'ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАДИАЦИОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Дженблат С. С (Национальный исследовательский университет ИТМО) Научный руководитель - д.т.н., доцент Волкова О. В

(Национальный исследовательский университет ИТМО)

Пассивное радиационное охлаждение является перспективным направлением в области энергосбережения.

В настоящее время большое внимание уделяется использованию возобновляемых источников энерпш. Радиационное охлаждение является одним из пассивных методов, используемых для снижения потребления энерпш и защиты окружающей среды. Пассивное охлаждение включает технологии и конструктивные особенности, разработанные для охлаждения зданий с минимальным потреблением энергии; позволяет использовать простую и недорогую технику для обеспечения комфорта в регионах с жарким и умеренным климатом.

Целью исследования является оценка энергоэффектнвности гибридной системы кондиционирования воздуха помещений на базе радиационного охлаждения в климатических условиях Сирии.

Предложена гибридная система кондиционирования воздуха на базе радиационного охлаждения. Система включает в себя два гидравлических контура: контур радиационного охлаждения и контур охлаждения помещений. Контур радиационного охлаждения имеет встроенный в крышу радиатор, обеспечивающий круглосуточное охлаждение воды в теплообменнике. Контур охлаждения помещения состоит из резервуара для хранения холодной воды, тепло аккумулирующей стены с водяным теплообменником, холодильной машины н усовершенствованной системы управления, которая имеет три двухпозицнонных автоматический клапана, обеспечивающих три режима работы. Парокомпрессионная холодильная машина с воздушным охлаждением конденсатора применяется для охлаждения воды в контуре охлаждения при частичной нагрузке.

По результатам анализа спектральных характеристик и оптических свойств материалов, предложенных для систем дневного радиационного охлаждения, в качестве покрытия радиатора выбрана многослойная структура, предложенная Раманом, состоящая из семи слоев оксида гафнпя (НЮ;) и оксида кремния (SiOz), нанесенных на серебряную подложку.

Для оценки энергетических показателей системы использовали программу Energy Plus. Программа состоит из модуля моделирования теплового и массового баланса, модуля моделирования систем здания и модуля расчета симуляции.При моделировании использовали данные климатических условий в городах Латакия и Дамаск ( Сирия) летом 2020 года (с 1 июня по 15 сентября). Латакня находится в зоне умеренного средиземноморского климата, среднее значение относительной влажности составляет 70.37%. Дамаск расположен в зоне континентального климата, среднее значение относительной влажности - 46.16%. Климатические условия моделировали программой Energy Plus с использованием связанных файлов погоды TMY3.

Результаты моделирования гибридной системы показали, что вклад радиационного охлаждения в общее охлаждение помещения в Латакии составляет 11.3% в июне, 4.15% в июле, 4.8% в августе, 7.83% в сентябре; в Дамаске: 22.1% в июне, 11.49% в июле, 13.38% в августе, 23.01% в сентябре.

Коэффициент энергосбережения от применения многослойного покрытия и теплоаккумулирующей стены в летние месяцы составляет от 11 до 32% в Латакни и от 28 до 43% в Дамаске.

Полученные данные показали эффективность применения многослойного покрытия с целью снижения энергетических затрат на кондиционирование воздуха помещений в климатических условиях Сирии.

Предложенная система кондиционирования воздуха на базе радиационного и лучистого охлаждения может быть использована в регионах с жарким и умеренным климатом.