Судовые кондиционируемые помещения в отличие от большинства помещений обычного типа испытывают существенное влияние колебаний наружных условий на микроклимат воздушной среды. Условия комфорта воздушной среды, формируемые температурной обстановкой, характеризуются как температурой внутреннего воздуха, так и его радиационной температурой, являющейся результатом воздействия температур всех ограждающих поверхностей помещения.
В различных районах плавания судна температура наружного воздуха может изменяться от +45 °С до -50 °С. Его ограждающие поверхности подвергаются воздействию прямой, рассеянной (атмосферной) и отраженной (поверхностью моря), изменяющейся по интенсивности, солнечной радиации. Если учесть, что судно представляет собой объемное металлическое сооружение с высокой теплопроводимостью, то становится ясно, насколько велико влияние внешних условий на формирование микроклимата в обитаемых помещениях.
Для стационарных климатических условий методы определения тепловых нагрузок через ограждающие конструкции с наружной средой достаточно хорошо изучены [1–6]. Эти методы могут использоваться как основополагающие и при исследованиях судовых помещений в условиях нестационарной теплопроводимости их ограждающих поверхностей.
Тепловые нагрузки на судовое кондиционируемое помещение, как известно, определяются: теплом, поступающим через наружные ограждения (QОГР.Н) за счет разности температур между воздухом внутри помещения (TУ) и забортным (TН); теплом, поступающим через внутренние ограждения (QОГР.В) за счет разности температур между воздухом внутри помещения (TУ) и за переборкой (TK); теплом, поступающим вследствие воздействия солнечной радиации (QРАД). Проведенными исследованиями установлено, что для большинства судов, оборудованных системами кондиционирования воздуха (СКВ), теплопритоки QОГР составляют 29–31% суммарных теплоизбытков в помещениях (QИЗБ). Значительная часть тепла, поступающая через наружные поверхности ограждения и остекления, во многом определяется солнечной радиацией. Результаты статистического анализа проектных материалов показывают, что при постоянной тепловой нагрузкe наружного воздуха колебания тепловой нагрузки в судовых помещениях за счет солнечной радиации могут составлять до 50 %.
Теплота солнечной радиации характеризуется интенсивностью или удельным тепловым потоком qн, зависящим от времени года, часа суток, географической широты и состояния атмосферы. В нормалях, а также справочной литературе для судов неограниченного района плавания приводятся максимальные значения интенсивности радиации, равные 720 Вт/м2 для вертикальных и 1050 Вт/м2 для горизонтальных поверхностей. Наличие наружного остекления (иллюминаторов) способствует передаче тепла в помещение вследствие разности температур и солнечной радиации. Но коротковолновое солнечное (видимое) излучение, проникая через прозрачные стекла иллюминаторов, не изменяет их температуры. Поэтому радиационная температура воздуха в помещении (TP) является осредненной по площади температурой, определяемой только температурами наружной (борт) и внутренней (переборки) ограждающих поверхностей помещения. Расчетные значения теплопоступлений в обитаемые помещения приведены в
табл. 1.
Исходя из известных положений теории теплопередачи, тепловой поток через ограждающие конструкции может быть представлен функцией температуры наружного и внутреннего воздуха, температуры поверхности ограждения, его конструктивными теплофизическими характеристиками, т.е. в следующем виде:
где TОГР.Н(В) — температура поверхности ограждающей конструкции;
RОГР.Н(В) — сопротивление теплопередачи, характеризующее степень тепловой защиты ограждающей конструкции;
индексы Н, В — наружное или внутреннее ограждение.
Реальная величина температуры поверхности наружной ограждающей конструкции учитывется при обосновании величины температуры воздуха в помещении. Необходимо, чтобы температура TОГР.Н была на 1–2 °С выше температуры точки росы при нормируемых значениях температуры и относительной влажности внутреннего воздуха. Выполнение этого условия предотвратит выпадение конденсата и увлажнение материала ограждающих конструкций. Кроме того, при расчете теплопритоков через внутренние ограждающие конструкции проектировщики исходят из того, что температура воздуха за переборкой (TК), например в коридорах, на 1–3 °С выше (летом) или ниже (зимой), чем в обитаемом помещении.
При расчетах внешние климатические воздействия следует рассматривать как обладающие вероятностно-неопределенными свойствами [7], не имеющими четких корреляционных связей с солнечной радиацией. Интенсивность солнечной радиации в течениe суток, а также температура наружного воздуха не постоянны.
Наружные поверхности судна облучаются периодически. В момент передачи ограждениями наибольшего количества тепла интенсивность облучения и наружная температура совпадают. В результате начинается частичный обратный переход поглощенного тепла от наружных ограждений к воздуху. Следовательно, процесс передачи тепла, интенсивность солнечной радиации носят ярко выраженный нестационарный характер. Такая неопределенность приводит к широким диапазонам отклонений теплофизических свойств ограждений (коэффициентов теплопередачи, теплоотдачи и т.д.) от принимаемых при расчетах значениях.
Проектировщиками при проведении расчетов СКВ не всегда учитываются нестационарные характеры процесса передачи тепла через конструкции ограждающих поверхностей, интенсивности солнечной радиации. В результате вводится запас при определении воздухоподачи в помещения, а значит, возрастают расходы на тепловую обработку воздуха в СКВ.
Учет нестационарных теплопритоков позволяет снизить расчетную тепловую нагрузку в сравнении с максимальной, а значит, сократить энергетические затраты на тепловую обработку воздуха в СКВ. Хотя тепловые потоки QОГР и QРАД обладают свойствами случайных величин, тем не менее они обладают признаками управляющих параметров. Следовательно, имеются реальные возможности учета изменений QОГР и QРАД в направлении, обеспечивающeм лучшие комплексные решения СКВ и того ее оборудования, которое обеспечит данные изменения. Решение задачи уменьшения влияния QОГР и QРАД на микроклимат воздушной среды в кондиционируемом помещении, с учетом теплофизических свойств ограждающих конструкций поверхностей и их переменных характеристик, возможно в управляемой СКВ. При создании такой установки воздухообработки необходимо знать статические и динамические характеристики ограждающих поверхностей (переходные их характеристики).
В работах [8, 9], посвященных исследованиям динамических свойств ограждающих поверхностей кондиционируемых помещений, рекомендуется использовать метод, основанный на составлении уравнений тепловых балансов для ограждений при различных принятых допущениях. В результате, при составлении уравнений тепловых балансов не всегда учитывается радиационная составляющая теплопритоков, а также влияние подвижности воздуха в кондиционируемом помещении на динамические свойства ограждающих конструкций. Однако, как показывают проведенные расчеты [10], скорость воздуха, а также способы подачи воздуха в помещения через каютный воздухораспределитель (отрывные или настильные струи) существенно влияют на коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи ограждений, а значит, и на динамические свойства ограждений. Поэтому в условиях нестационарной теплопроводимости, при исследовании динамических свойств ограждающих конструкций, необходимо учитывать влияние на радиационную температуру воздуха в помещении не только наружной температуры воздуха, действия солнечной радиации, но и подвижности воздуха в кондиционируемом помещении, а также используемые способы подачи воздуха в помещения.
Рассматривая динамические процессы на границах воздушных сред и многослойного ограждения, после совместного решения уравнений теплового баланса для установившегося и неустановившегося режимов, были получены дифференциальные уравнения тепловых балансов для тонких стенок наружного и внутреннего ограждений помещения по каналам
где δм, δиз, δотд — толщинa конструкций металлической стенки, изоляции и декоративной оклейки;
ρогр, Согр — плотность и удельная массоваятеплоемкость ограждения;
Fогр.н, Fогр.в — площади наружной и внутренней поверхностей ограждающих конструкций;
— переменный коэффициент теплопередачи многослойной ограждающей конструкции;
αн, αв — переменные коэффициент теплоотдачи от наружного воздуха к наружной поверхности ограждения и коэффициент теплоотдачи воздуха в помещении [αн = f(ωн), αв = f(ωн); ωн, ωн — скорости воздушных потоков за бортом и в помещении];
ε— коэффициент поглощения солнечной радиации ограждения.
Полученную систему уравнений (2) следует рассматривать как систему линейных дифференциальных уравнений первого порядка с переменными коэффициентами.
Для переходного режима, используя приращения параметров ΔТН, ΔТK и ΔqН, а также соответствующие передаточные функции в операторной форме записи, система уравнений (2) приводится к следующему виду:
— передаточные функции апериодических звеньев первого порядка;
W011(P) = K011; W012(P) = K012;
W013(P) = K013;
W021(P) = K021; W022(P) = K022;
K01, K02 — коэффициенты передачи, сооответствующие долям ТОГР.Н и ТОГР.B в радиационной температуре ТP;
T01, T02 — постоянные времени (параметры приведены в табл. 2);
K011, K012, K013, K021, K022 — коэффициенты передачи (параметры приведены в
табл. 2);
Р — оператор Лапласа.
Из расчетных значений параметров в
табл. 2 видно, насколько существенно влияют на численные значения постоянных времени, коэффициетов передачи передаточных функций величины скоростей воздушного потока в помещении, а также способы подачи воздуха через воздухораспределитель.
Система уравнений (3) определяет динамические свойства ограждающих поверхностей по каналам ΔTH(P)–ΔTP(P), ΔTK(P)–ΔTP(P), ΔqH(P)–ΔTP(P), с учетом влияния ΔTУ(P) на ΔTP(P). В соответствии с системой уравнений (3) разработана приведенная на
рис. 1 структурная схема, соответствующая нестационарным свойствам ограждающих поверхностей и отражающая динамические свойства радиационной температуры воздуха в помещении.
На основе уравнений (2) и (3) была разработана модель, пригодная для исследования динамических свойств в MATLAB 6.5 — Simulink. При моделировании использовались постоянные времени и коэффициенты передачи, граничные значения которых приведены в
табл. 2.
Результаты моделирования свойств ограждающих поверхностей помещения в Simulink при ступенчатом характере возмущающих воздействий, по всем установленным каналам (колебания температур наружного и внутреннего воздуха, за переборкой, а также удельного теплового потока) приведены на
рис. 3 и 4. При исследовании динамических свойств поверхностей ограждения использовались переменные значения скоростей воздушного потока в кондиционируемом помещении, находящиеся в диапазоне от 0,1 до 0,6 м/с. Как видно из
рис. 3 и 4, скорость изменения радиационной температуры воздуха в помещении зависит от скоростей движения воздуха в нем.
Для измерения радиационной температуры воздуха при проведении натурных экспериментов использовался выпускаемый промышленностью термогигрометр ТКА-ПКМ (ТКА-ТВ). Сравнивая полученные результаты проведенных исследований динамических свойств ограждающих поверхностей на модели и результаты измерений изменяемой радиационной температуры воздуха в помещении, можно отметить их полную сходимость в условиях нестационарной теплопроводности. Это позволяет использовать полученную достоверную модель динамики конструкций ограждающих поверхностей помещения, учитывающей влияние на микроклимат воздушной среды изменяющейся радиационной температуры воздуха, при разработке систем автоматического управления СКВ. Кроме того, снижение расчетной тепловой нагрузки в сравнении с максимальной, благодаря учету нестационарной теплопроводимости ограждающих поверхностей кондиционируемого помещения, позволит сократить энергетические затраты на тепловую обработку воздуха в управляемой СКВ.
Литература1. Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. — СПб.: Судостроение, 1994.2. Нестеров Ю.Ф. Теория и расчет судовой тепловой изоляции. — Л.: Судостроение, 1973.3. Сотников А.Т. Определение воздухоподачи в судовое кондиционируемое помещение на основе учета его теплоаккумуляции. — Л.: Судостроение, 1978.4. Селиверстов В.М. Расчет судовых систем кондиционирования воздуха. — Л.: Судостроение, 1971.5. Чистяков Ф.М., Ефремов С.Н. Коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций пассажирских помещений скоростных судов. — Л.: Судостроение, 1979.6. Языков В.Н. Теоретические основы проектирования судовых систем кондиционирования воздуха. — Л.: Судостроение, 1967.7. Рымкевич А.А. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха. — M.: Стройиздат, 1990.8. Рымкевич А.А., Халамайзер М.Б. Управление системами кондиционирования воздуха. — M.: Машиностроение, 1977.9. Четверухин Б.М. Контроль и управление искусственным микроклиматом. — M.: Стройиздат, 1984.10. Вичужанін В.В. Теплопередача огороджувальних конструкцій кондиціонованих приміщень // Холод. — 2006. — № 3.
