Радиационное охлаждение

Вечером, когда температура аккумулирующего устройства оказывается выше температуры коллектора, последний необходимо отключать. Если в качестве рабочей жидкости используется вода, во избежание ее замерзания коллектор также закрывают. Снижение температуры коллектора может произойти в результате потерь энергии на длинноволновое излучение, которое аккумулирующее устройство начинает испускать в окружающее пространство при безоблачном небе. Однако при определенных климатических условиях этот же эффект можно успешно использовать для создания дешевых систем охлаждения.

Такой вид охлаждения возможен в тех случаях, когда атмосферное длинноволновое излучение оказывается менее интенсивным, чем подобное излучение, испускаемое поверхностью тела при температуре окружающей среды. Как явствует из гл. 4, такие условия создаются с наступлением темноты. При облачности или повышенной влажности атмосфера ведет себя как черное тело, поглощая и, следовательно, излучая радиацию. Поскольку и земля проявляет подобные свойства, то при возникновении даже незначительной разности между их температурами начинается процесс излучения в пространство через вышележащие слои атмосферы. В условиях сухого климата при отсутствии поглощения (или слабом поглощении) излучения атмосферным водяным паром спектр поглощения уже не является непрерывным; в нем обнаруживаются так называемые окна, в которых атмосфера фактически прозрачна. Часть излучения в этом случае беспрепятственно рассеивается в пространство и компенсируется длинноволновым излучением атмосферы в меньшей степени.

Большая часть длинноволнового излучения, падающего на землю, испускается нижними слоями атмосферы, лежащими не выше нескольких сотен метров. Надо полагать, что интенсивность этого излучения определяется температурой и влажностью атмосферы вблизи поверхности земли. Безусловно, энергетический спектр этого излучения не соответствует спектру абсолютно черного тела, но, как показывают измерения, его можно рассматривать как часть излучения черного тела при температуре окружающей среды. Обычно мощность длинноволнового излучения атмосферы определяют из следующего соотношения:

где w_а есть мера влажности атмосферы, значение которой мы подробно рассмотрим в следующем разделе.

Сейчас же мы ограничимся предположением, что в условиях сухого климата интенсивность длинноволнового атмосферного излучения в два раза ниже интенсивности излучения черного тела при температуре окружающей среды.

Рис. 30. Простой радиационный охладитель с естественной циркуляцией

Устройство подобного холодильника показано на рис. 30. Хотя по своей конструкции он напоминает солнечный нагреватель, все процессы осуществляются в нем в противоположном направлении. Действительно, коллектор нагревателя можно использовать ночью в качестве радиатора, соединенного с другим аккумулирующим устройством. С учетом предположений, сделанных при анализе работы нагревателя, уравнение теплового баланса радиатора запишется в виде

где P_р - скорость передачи энергии радиатору при циркулировании жидкости в системе аккумулирующее устройство - радиатор. Чтобы оценить возможности такого охлаждающего устройства (кондиционера), рассмотрим случай, когда температура окружающего воздуха равна 300 K (27°С). Работа такого устройства, как и работа нагревателя, сопровождается изменением (в данном случае понижением) температуры аккумулятора энергии, в качестве последнего используется вода, галька или какое-либо вещество, в котором происходит фазовый переход. Результаты подобных изменений в состоянии аккумулирующего вещества используются лишь на следующий день, но не для нагревания, а для охлаждения воздуха в системе кондиционирования. На рис. 31 представлен график, с помощью которого мы можем оценить энергию (или мощность P_р), отдаваемую аккумулятором энергии при различных температурах. В этом простейшем случае зависимость P_р от температуры аккумулятора практически линейна. Из графика также видно, что если радиатор не получает энергию, то его равновесная температура лишь едва выше точки замерзания воды. Используемые па практике аккумулирующие устройства должны быть достаточно велики, чтобы поддерживать температуру постоянной на том уровне, который определяется из соображений экономической целесообразности и комфорта. В нашем примере, где ночная температура аккумулятора поддерживается в среднем около 300 K, в течение ночи необходимо рассеивать свыше 200 Вт энергии с каждого квадратного метра поверхности радиатора. Таким образом, днем мы можем поддерживать в здании нужную температуру.

Рис. 31. Характеристика радиационного охладителя (в условиях очень сухого климата). P_р - скорость поступления энергии от аккумулятора холода

При определенных климатических условиях такая радиационная система охлаждения оказывается не только удобной, но и чрезвычайно эффективной. Например, на крышах больших зданий фабрик, школ, больниц можно смонтировать комбинированные установки, сочетающие функции солнечного нагревателя и радиационного охлаждающего устройства, в которых одни и те же панели в сочетании с разными аккумуляторами энергии днем выполняют функции коллектора, а ночью - радиатора. Подобные системы особенно удобны для больниц, где одновременно необходимы и большое количество горячей воды, и в меру прохладный воздух в палатах и операционных.

Если коллектор площадью 500 м², предложенный в гл. 5 для гипотетической больницы, ежедневно по 8 ч использовать в качестве радиатора, то за это время можно рассеять до ³/₄ МВт*ч энергии. Для такой больницы этого было бы вполне достаточно, чтобы поддерживать в палатах, операционных и других помещениях температуру по крайней мере на 10 K ниже, чем дневная температура снаружи.

В следующей главе, говоря о холодильных установках, мы снова вернемся к вопросу охлаждения. Здесь же мы рассматриваем главным образом системы, работа которых основана на процессах теплового обмена, и прежде чем перейти к исследованию возможностей этих процессов, коротко остановимся еще на нескольких системах подобного рода.