×

Вы используете устаревший браузер Internet Explorer. Некоторые функции сайта им не поддерживаются.

Рекомендуем установить один из следующих браузеров: Firefox, Opera или Chrome.

Контактная информация

+7 961 270-60-01
ivdon@ivdon.ru

Влияние солнечной радиации на температурный режим грунта

Аннотация

Н.Н. Руденко, И.Н. Фурсова

Дата поступления статьи: 28.11.2013

Для описания динамики изменения  температурного поля в поверхностных слоях земли рассмотрен тепловой баланс поверхности земли. Учтены три составляющие теплового потока: конвективный теплообмен с воздухом,  солнечная радиация,  тепловой поток с поверхностными слоями грунта. В качестве граничных условий на поверхности грунта  рассмотрена температура  поверхности грунта, которая определена из баланса теплоты поверхностного слоя с учетом солнечной радиации.  Распределение температур в массиве грунта определено с использованием метода конечных разностей. Слой грунта обладает определенной тепловой инерцией, которая приводит к запаздыванию достижения минимальных температур в толще грунта относительно времени достижения минимальной температуры поверхности. В поверхностном слое грунта, на глубине около 300 мм, происходит практически полное затухание суточных температурных колебаний в июне месяце с учетом солнечной радиации в  условиях юга России.

Ключевые слова: тепловой насос, возобнавляемые источники энергии, солнечная радиация, нестационарный режим, грунт

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Работа серийных кондиционеров основана на холодильном цикле, который обеспечивает поглощение теплоты от внутреннего, более прохладного воздуха и передачи его наружному. Эффективность холодильного цикла во многом определяется разницей температур кондиционируемого помещения и наружного воздуха. Большинство производителей кондиционеров определяют номинальную  характеристику кондиционеров  для температуры наружного воздуха 35 оС и температуры внутреннего воздуха ¾ 27 оС при влажности 47%. Однако, повышение температуры наружного воздуха приводит к снижению эффективности охлаждения, причем, значительное повышение, выше 40 оС, может привести к аварийной остановки кондиционера или выхода его из строя [1]. Аварийная ситуация вызвана  повышением давления в конденсаторе. Ухудшение теплообмена, например, наличие загрязнения на теплообменниках, приводит к возникновению аварийной ситуации и при более низких температурах.
В южных регионах страны нередко можно наблюдать повышение температуры воздуха близкое к критическим значениям. Как правило, такие температуры наблюдаются непродолжительный период, 2-4 часа в день. Однако, для ответственных зданий, прецизионное кондиционирование, остановка кондиционеров даже на один час может привести к пагубным последствиям, поэтому ведутся работы по поиску дополнительных источников охлаждения. К таким источникам относится и грунт. В летнее время, на глубине несколько метров  поддерживаются температуры соизмеримые со среднегодовыми температурами в данной местности [2]. При установке в толще грунта трубопроводов с промежуточным теплоносителем или испарителем можно обеспечить гарантированную безотказную  работу кондиционеров в жаркое время года. Существующие исследования в неполной мере отражают влияние суточных колебаний температуры воздуха на распределение тепловой режим грунта [3,4,5].
Однако существующие исследования не позволяют прогнозировать распределение температуры в поверхностном слое грунта [6, 7].
Для описания динамики изменения  температурного поля в поверхностных слоях земли рассмотрим тепловой баланс поверхности земли.  Можно выделить три составляющие теплового потока:  конвективный теплообмен с воздухом,  солнечная радиация, тепловой поток с поверхностными слоями грунта.
Все указанные составляющие носят нестационарный характер. Конвективный тепловой поток может быть выражен через уравнение Ньютона, и зависит от перепада температур на поверхности грунта и воздуха, а также от коэффициента теплоотдачи, который зависит от подвижности воздуха. Суточное изменение температуры воздуха можно описать гармоническими колебаниями и выразить следующим уравнением:

В качестве расчетной величины средней температуры воздуха tср примем значение характерное для июля в г. Ростове-на-Дону 32 оС, при изменении от 24,5 до 39,5 оС  в течение суток. В качестве граничных условий температура грунта принята в июле месяце для г. Ростова-на-Дону – 15,5 оС.
Тепловой поток от солнечной радиации хотя и носит периодический характер, но является дискретной величиной, так как солнечную радиацию можно наблюдать только в дневное время суток. Для описания закономерности изменения теплового потока  солнечной радиации можно воспользоваться данными представленными в Справочнике [2] . Например, для региона г. Ростова-на-Дону поступление солнечной теплоты в июне составляет значения, представленные в таблице.
Таблица. Поступление солнечной радиации на горизонтальную поверхность.


Время до и поле полудня,ч

5/18

6/17

7/16

8/15

9/14

10/13

11/12

Солнечная радиаця, Вт/м2

78,88

206,48

357,28

501,12

610,16

694,84

738,92

 

 

Рисунок 1. Изменение солнечной радиации в течение дня.


С использованием метода наименьших квадратов, можно выполнить аппроксимацию табличных данных и представить в виде полинома второго порядка:

где Z¾время в часах.
Причем, для данной аппроксимации  среднеквадратичное отклонение составляет σ = 0,98, что является допустимой величиной для инженерных расчетов. В качестве граничных условий на поверхности грунта можно рассмотреть температуру  поверхности грунта, которая определена из баланса теплоты поверхностного слоя с учетом солнечной радиации [8, 9]:

где a - коэффициент теплоотдачи от грунта у воздуху,
x – толщина поверхностного слоя,
τ2,z – температура грунта ниже поверхностного слоя в предыдущий расчётный интервал времени.
Распределение температур в массиве грунта определено с использованием метода конечных разностей [10]. Алгоритм расчета реализован в программе на VB.   Результаты представлены в графическом виде на рис. 2. В расчетах степень черноты принята максимальная, это может соответствовать асфальтовому покрытию.



Рис.2. Распределение температурного поля в поверхностном слое земли.


На рисунке 2 изображено несколько графиков, которые отражают степень поглощения солнечной энергии поверхность грунта. Как видно из графика,  на поверхности земли температура воздуха может подниматься до 65 оС, что превышает максимальную температуру воздуха 39 оС.  Разработанная математическая модель соответствует проведенным измерением, асфальтовая поверхность в летнее время года разогревается более 60 оС.
Слой грунта обладает определенной тепловой инерцией, которая приводит к запаздыванию достижения минимальных температур в толще грунта относительно времени достижения минимальной температуры поверхности.    
В условиях юга России с учетом солнечной радиации в  поверхностном слое грунта, на глубине около 300 мм, происходит практически полное затухание суточных температурных колебаний.


Литература:

  1. Руденко Н.Н., Рыбинский В.А. Круглогодичное использование тепловых насосов. Материалы международной научно-практической конференции «Стоительство 2009», РГСУ, 2009. – 53 с.
  2. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Ч. 1–6. Вып. 1–34. – СПб. : Гидрометеоиздат, 1989–1998. – 247 с.
  3. Руденко Н.Н., Егоров А.Д. Система кондиционирования воздуха с грунтовыми тепловыми насосами. Материалы Международной научно-практической конференции «Строительство-2006». - Ростов н/Д: РГСУ, 2007. – с. 53-54.
  4. Fanger P.O. "Thermal Comfort". McGrow Hill 1970.
  5. Masuch J. "Genanigkeit von Energieverbrauchsberehnung fur raumlufttechnische Anlagen bei reduzierter Wetterdatenmenge", HLH 33(1982) №11, Nov.
  6. Кідрук М.І. Моделювання та оптимізація систем теплопостачання будівель з використанням відновних джерел енергії. Частина 1: Моделювання теплового режиму будинку. — Журнал «Нова тема», №4/2007. — с. 13–16.
  7. Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли: Монография. Издательский дом «Граница». – М. : Красная звезда, 2006. - 205 с.
  8. Руденко Н.Н. Особенности прогнозирования эффективности работы теплового насоса. [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона», 2013, № 2 (часть 1). – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1129 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
  9.  Руденко Н.Н., Фурсова И.Н. Моделирование температурного поля в грунте. [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона», 2013, № 2 (часть 1). – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1697 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
  10. Самарский А.А., Вабишевич. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал  УРСС, 2003. 784 с.