Актуальным направлением энергосбережения является применение возобновляемых видов природной энергии, к которой относится и криогенная энергия. Так, в последние годы всё более широкое распространение получает применение природного холода, аккумулированного в снежном покрове или намороженном льду [1]. Складирование снега и льда, их сохранение на теплый период года и применение в системах кондиционирования воздуха (СКВ) позволяет экономить топливно-энергетические ресурсы. Применение естественного холода в несколько раз снижает затраты электроэнергии на СКВ в теплый период года [2].
Аккумуляция холода в системах холодоснабжения зданий с использованием снега или льда в последние годы всё больше применяется в разных странах, имеющих снежную зиму и жаркое лето [3]. Среди зарубежных стран технология аккумуляции льда и снега для систем кондиционирования воздуха наиболее активно применяется и развивается в Японии. Известны примеры аккумуляции естественного холода для систем кондиционирования воздуха в России, Японии, Швеции, Канаде, Америке, Китае. При этом в последние годы в связи с актуальностью применения снега и льда в СКВ появились разработки для создания эффективных холодохранилищ и методов их расчёта [4].
Одной из проблем, затрудняющей более широкое и масштабное применения этого метода, являются трудности аккумуляция снега в районах с небольшими снегозапасами.
Применение зимнего дождевания для аккумуляции природного холода
Применение льда и снега имеет многовековую историю. Для повышения эффективности использования ледяного материала применялись методы искусственного намораживания. История применения льда и снега в народном хозяйстве, методов намораживания и работы учёных и специалистов, внёсших большой вклад в это направление инженерной гляциологии, представлены в работе [5]. Одним из наиболее эффективных методов получения ледяного материала является метод факельного льдообразования. Этот высокопроизводительный метод для намораживания искусственных фирново-ледяных массивов (ИФЛМ) был разработан в Институте географии АН в конце ХХ века.
Метод заключается в применении зимнего дальнеструйного дождевания для формирования капельного факела путем разбрызгивания воды на большую высоту (15-20 м) современными дальнеструйными дождевальными установками. При падении в морозном воздухе с температурой ниже -5 °С капли воды полностью или частично замерзают. В последнем случае образуется массив из осколков ледяных оболочек. Незамерзшая вода фильтруется через пористый ледяной массив и вытекает из зоны намораживания. Количество взвешенной влаги составляет порядка 6-12 %. В течение нескольких суток под действием процессов метаморфизма ледяные осколки превращаются в округлые ледяные зёрна диаметром порядка 1,5 мм, и по своим характеристикам они идентичны естественному фирну на ледниках.
Отличие метода факельного льдообразования от методов намораживания льда тонкослойным наливом состоит в переносе основного теплообмена с плоскости намораживания в объём капельного факела. Это позволяет значительно увеличить поверхность тепло- и массообмена, эффективно использовать запас холода приземного слоя атмосферы и более чем на порядок увеличить интенсивность намораживания. Так, если метод тонкослойного налива даёт за сутки слой льда толщиной порядка 0,2 м при температуре воздуха -20 °С и скорости ветра 4 м/с, то факельное намораживание позволяет создавать за сутки массив искусственного фирна толщиной до 10 м при плотности 500-600 кг/м3.
В зависимости от технологии применения зимнего дождевания можно в несколько раз повысить производительность намораживания льда плотностью 800-900 кг/м3.
Метод быстро получил практическое применение при строительстве ледовых переправ и автозимников и вошел в ведомственные нормы. Были разработаны теоретические и практические аспекты метода зимнего дождевания [6], некоторые из которых защищены авторскими свидетельствами и патентами. Метод может эффективно применяться при решении экологических проблем, в частности для опреснения и очистки загрязненных минерализованных вод.
Многочисленные эксперименты, проведённые в том числе на Балаковской АЭС, показали, что минерализация массива искусственного фирна на порядок меньше, чем исходной воды, и при таянии третьей части массива уменьшается ещё на порядок.
Производительность намораживания искусственного фирна
Для зимнего дождевания применяются как серийные дождевальные установки ДДН-70 (дождеватель дальнеструйный навесной с дальностью полёта струи 70 м и расходом воды 65 л/с при насадке диаметром 55 мм), так и специально разработанные, в том числе на базе ДДН-70, российские установки для зимнего дождевания серии «Град», применяемые в настоящее время.
Данный метод быстро получил практическое применение при строительстве ледовых переправ и автозимников и вошел в ведомственные нормы. Были разработаны теоретические и практические аспекты метода зимнего дождевания [6], некоторые из которых защищены авторскими свидетельствами и патентами
Экспериментальные и теоретические исследования позволили установить зависимость для расчёта доли p льда, образующейся при факельном льдообразовании при работе дождевальной установки ДДН-70 с насадкой диаметром 55 мм, в виде:
где Твз — температура атмосферного воздуха, °C; T0 — температура замерзания воды, °C; v — скорость ветра, м/с.
Факельное льдообразование применяется при температурах атмосферного воздуха ниже -5 °C, так как при более высоких температурах воздуха льдообразование в основном осуществляется на намораживаемой поверхности с образованием ледяной шуги из переохлажденных в воздухе капель воды. При небольших отрицательных температурах воздуха применяются насадки меньшего диаметра. При таких насадках растёт давление на выходе и за счёт уменьшения среднего размера капель повышается доля льда в капельном факеле, хотя при этом снижается расход воды.
Согласно формуле (1), рост скорости ветра на 1 м/с ведет к увеличению интенсивности факельного льдообразования на 2,5 %. Небольшое влияние скорости ветра на интенсивность факельного льдообразования обусловлено малой горизонтальной скоростью обтекания капли воды воздухом из-за сноса капельного факела под действием ветра. При небольшой скорости ветра основное поступление воздуха в капельный факел осуществляется за счёт вращения ствола дождевальной установки по сектору и захвата новых объёмов холодного воздуха. Причём интенсивность вовлечения объёма воздуха в факел при вращении ствола дождевальной установки приблизительно соответствует вентиляции факела ветром со скоростью 5 м/с.
При скорости ветра 5 м/с из формулы (1) получим зависимость для расчёта суточного объёма Q [т] намораживания ИФЛМ в виде:
где G — расход воды дождевальной установкой, G = 5616 м3/сут.
Формула (2) даёт оценку снизу величины намораживания, так как не учитывает теплообмен намораживаемой горизонтальной поверхности с атмосферой.
После падения замерзающих капель на поверхности земли продолжается промерзание незамерзшей взвешенной воды за счёт теплообмена с воздухом. Хотя интенсивность намораживания на горизонтальной поверхности падает из-за относительно небольшой поверхности теплообмена.
Основным параметром, определяющим производительность намораживания ИФЛМ (кроме технических характеристик дождевателя), является температура воздуха. Климатические изменения ведут к изменению производительности метода. Поэтому актуальным является оценка производительности метода в различных физико-географических условиях при современных климатических изменениях. В работе [7] приведены карты суточной производительности метода при намораживании искусственного фирна в месяцы с отрицательной температурой воздуха ниже -5 °С на территории России и потенциального объёма намораживания фирна за холодный период. При этом за основу принималась температура воздуха за период 20012010-х годов. Расчёты показали, что производительность намораживания льда за холодный период изменяется от 1020 тыс. м3 в водном эквиваленте (в южных регионах России) до 500 тыс. м3 в наиболее холодных районах при работе одной дождевальной установки средней производительности ДДН-70.
Анализ суточной производительности намораживания искусственного фирна показывает, что в октябре в центральных и северных районах Якутии производительность намораживания достигает 1000 т фирна. Для южных районов Якутии и районов Красноярского края производительность намораживания фирна в два раза ниже. В ноябре производительность намораживания в этих районах в два раза выше, чем в октябре. При этом возможно намораживание искусственного фирна в районах Западной Сибири и на севере европейской территории России (ЕТР). Суточная производительность составляет 1000 т на севере этих регионов и 500 т в центральных и южных районах Западной Сибири. В декабре суточная производительность в рассмотренных районах в полтора раза больше, чем в ноябре. В январе и феврале суточная производительность искусственного фирна в Сибири приблизительно соответствует этой величине в декабре и составляет порядка 1500 т фирна. При этом возможно намораживание искусственного фирна в центральных районах ЕТР, где суточная производительность намораживания составляет 500-1000 т. В марте суточная производительность намораживания несколько больше, чем в октябре. Причём намораживание возможно на всей территории Сибири и в северных районах европейской территории России (ЕТР). Суточная производительность намораживания составляет в среднем 1000 т.
Защита массивов искусственного фирна от естественного таяния
Многометровые массивы искусственного фирна нуждаются в защите от естественного таяния. Оценки показывают, что в юго-западных районах России интенсивность таяния составляет в апреле 2,7 см воды за сутки [8]. В мае месяце такая интенсивность таяния соответствует 65° северной широты в европейской части территории России и 62° широты в Западной Сибири, где в мае может растаять до 1,6 м фирна. В июне интенсивность таяния на 60° широты на ЕТР и Западной Сибири составляет порядка
13,3 см воды в сутки (8 м фирна за месяц), а на 67° широты в два раза меньше — 6,7 см воды в сутки. В июле на 60-67° широты интенсивность таяния составляет 16-17 см воды в сутки (10 м фирна). В августе интенсивность таяния на этих широтах составляет 8-11 см воды в сутки (6 м фирна), а в сентябре в Западной Сибири — 2-3 см воды в сутки (1,5 м фирна). В октябре на этих широтах уже возможно намораживание льда.
Для сохранения ИФЛМ на весь период с положительными температурами воздуха потребуется применение теплоизоляции. Для оценки эффективности и толщины слоя теплоизоляции рассмотрим теплообмен между атмосферой и слоем теплоизоляции. Его величину можно определить по формуле:
где qи — тепловой поток; α — коэффициент теплоотдачи; Ти — температура поверхности слоя теплоизоляции.
Сравнивая теплопоток по этой формуле с теплопотоком через слой теплоизоляции, задаваемый при квазистационарном распределении температуры следующей формулой:
и, исключая величину Ти, получим тепловой поток через слой теплоизоляции в виде:
где Rи = hи/λи — термическое сопротивление слоя теплоизоляции; hи — толщина слоя теплоизоляции; λи — коэффициент теплопроводности слоя теплоизоляции; Т0 — температура плавления льда (То = 0 °C).
Тогда снижение интенсивности таяния искусственного фирна под слоем тепловой изоляции определяется следующим отношением:
где q0 = α(Твз - T0) — поток тепла при отсутствии слоя теплоизоляции при Rи = 0 м2/(Вт·К). Для оценок можно принять эффективный коэффициент теплоотдачи по формуле [9]: α = 10,7 + 7,7v, Вт/(м2·К), где v — скорость ветра, м/с.
Если принять за слой теплоизоляции супесь влажностью 25 % с коэффициентом теплопроводности 1,6 Вт/(м·К), то при v = 2 м/с получим к = 1/(1 + 15hH). Приблизительно такая зависимость получается по полуэмпирической формуле снижения скорости таяния ледника под слоем грунтовой морены [8]:
где Ah и А0 — скорости абляции при наличии морены толщиной hгр [м] и при её отсутствии, соответственно.
При применении зимнего дождевания могут применяться как стационарные дождевальные установки, работающие от электрической сети, так и передвижные насосные станции или дождеватели, агрегированные с трактором
Одним из эффективных теплоизоляционных материалов является поролон. Его коэффициент теплопроводности не превосходит 0,04 Вт/(м·К). Для слоя поролона толщиной 0,1 м и при скорости ветра 2 м/с получим снижение интенсивности таяния в 65 раз. В районах Западной Сибири на 65° широты таяние за период с положительными температурами воздуха составит порядка 22 м искусственного фирна плотностью 500 кг/м3[8]. При теплоизоляции 10-сантиметровым слоем поролона растает приблизительно всего 35 см искусственного фирна, что при 10-метровой высоте массива не превышает 4 % его массы.
Эффективность применения искусственного фирна в системе кондиционирования воздуха
При применении зимнего дождевания могут применяться как стационарные дождевальные установки, работающие от электрической сети, так и передвижные насосные станции или дождеватели, агрегированные с трактором. В последнем случае при формировании искусственного фирна расход дизельного топлива на одну тонну фирна зависит от температуры воздуха. Эксперименты показали, что при температуре воздуха -17 °С и формировании в течение суток ИФЛМ массой 1500 т было израсходовано 200 л дизтоплива. Таким образом, на одну тонну фирна расходуется 0,13 л топлива. При температуре воздуха -10 °С производительность намораживания при той же дождевальной насадке снижается и на одну тонну фирна потребуется около 0,23 л дизельного топлива или 0,35 кг у.т.
Приведённая в работе [4] оценка эффективности СКВ с аккумуляцией естественного холода показала, что на одну тонну запасенного снега или льда уменьшение потребления условного топлива составляет 9,3 кг у.т. Поэтому при оценке эффективности применения искусственного фирна в СКВ расходом топлива на создание искусственного фирна можно пренебречь и принять экономию 9 кг у.т. на одну тонну фирна. Исходя из этой величины, была построена карта потенциальной экономии топлива при работе одной дождевальной установки ДДН-70 (рис. 1). Из неё видно, что экономия топлива составит от 500 до 2000 т.у.т. на большей части европейской территории России и 1000-4000 т.у.т. в Сибири.
В работе [3] отмечается, что при загрузке снега в снегохранилище и при его достаточно тщательной утрамбовке плотность оказывается в пределах 300450 кг/м3. Применение искусственного фирна плотностью 500-600 кг/м3 позволит увеличить холодозапас снегохранилища приблизительно в полтора раза.
Заключение
Применение высокопроизводительного метода зимнего дальнеструйного дождевания позволяет создавать многометровые фирново-ледяные массивы массой в десятки и сотни тысяч тонн за холодный период. Это даёт возможность для аккумуляции огромных запасов природного холода. Его применение в разнообразных системах охлаждения, в частности в системах кондиционирования воздуха, позволит значительно расширить сферу и эффективность применения природного холода и экономить тысячи тонн условного топлива.
