1 Использование теплоты солнечной энергии 7

Исходные данные 28

Определение характеристик коллектора 29

1 Характеристики коллектора 29

Для указанного типа коллектора примем значения 29

29

29

29

29

2 Учет влияния теплообменника, разделяющего коллектор и бак-аккумулятор 29

3 Влияние ориентации коллектора на долгосрочные характеристики 29

3.1 Расчет прихода радиации на наклонную поверхность 29

3.1.1 Отношение среднемесячных приходов прямой радиации на наклонную и горизонтальную поверхности [1] 29

3.2.1.3 Удельная тепловая характеристика здания, 31

31

где – доля остекления ограждающих конструкция (принимаем значение ); 31

- площадь наружных стен и пола здания в плане соответственно, м² 31

3.2.1.4 Величина 31

31

где - полный коэффициент тепловых потерь, 31

- площадь наружных поверхностей здания, м² 31

.2.1.5 Число градусо-дней в месяце, К ^. сут 31

31

Т = 18 °C. 31

3.2.1.6 Среднемесячная нагрузка отопления, ГДж 31

31

2.10 Рассчитывается отношение среднемесячных приходов прямой радиации на наклонную и горизонтальную поверхности по формуле: 51

3.3.5 Среднемесячная нагрузка отопления, Дж 59

59

Н 75

Н 75

Н 75

Н 75

Н 75

Н 75

Н 76

Н 76

Н 76

Н 76

Н 76

ВВЕДЕНИЕ

Солнечная радиация является практически неисчерпаемым и экологически чистым источником энергии. Мощность потока солнечной энергии у верхней границы земной атмосферы равна 1,710¹⁴ кВт, а на поверхности Земли составляет 1,210¹⁴ кВт. Общее годовое количество поступающей на Землю солнечной энергии оценивается величиной в 1,05 10¹⁸ кВтч, из которых на поверхность суши приходится 210¹⁷ кВтч.

Среднесуточная интенсивность потока солнечного излучения на Украине равна 130-210 Вт/м² или 10,8-18 МДж/(м²сут).

На основании многочисленных наблюдений и расчетов установлено, что с помощью гелиотехнических устройств при современном уровне развития техники может быть полезно использовано 10-50% этой энергии.

К числу факторов, определяющих экономическую целесообразность применения систем солнечного теплоснабжения можно отнести следующие:

• высокая стоимость тепловой энергии, отпускаемой традиционными источниками;

• сезонное теплоснабжение и значительное количество объектов, работающих в режиме теплопотребления с максимальными нагрузками в летний период (санатории, дома отдыха, детские оздоровительные лагеря и т.д.);

• высокие среднегодовые значения интенсивности поступающей солнечной радиации и большое количество солнечных дней;

• наличие площадей для размещения коллекторов и отсутствие их затенения;

• постоянно растущие требования к чистоте окружающей среды.

Учитывая перечисленные факторы, использование гелиосистем на Украине можно признать перспективным направлением развития энергетики.

Целью данной контрольной работы является расчет системы солнечного теплоснабжения (ССТ). Для этого рассчитываются месячные поступления радиации на наклонную поверхность для заданной местности, производится расчет нагрузки теплоснабжения района (отопление и горячее водоснабжение). Затем, исходя из типа солнечного коллектора (КСЭ), определяются его параметры, и рассчитывается коэффициент замещения f (доля полной месячной тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии) в зависимости от площади коллектора.

Работа завершается расчетом экономической эффективности использования системы солнечного теплоснабжения; определением оптимального значения площади коллектора, соответствующего минимальному сроку окупаемости ССТ.

Исходные данные

1. Местоположение ССТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ашхабад

2. Число жителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N = 5

3. Размеры здания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . abh = 106,12,8

4. Вид гелиосистемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . жидкостная

5. Тип коллектора – Селективные, 2 покрытия

6. Площадь коллектора, м² , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . А= от 1 до 17

7. Ориентация коллектора (азимут) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . = 0,9

8. Угол наклона коллектора к горизонту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  = 53

9. Эффективность промежуточного теплообменника . . . . . . . . . . . _пр=0,67

10. Способ определения - программным методом ( Microsoft Excel)

11. Удельный объем бака-аккумулятора, м³/м² . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,07

12. Удельный объемный расход антифриза через коллектор,

кг/(м^2.с) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13. Плотность антифриза, кг/м³. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ρ_антифр=927

	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
Н	7,42	10,58	13,63	18,34	24,16	26,83	26,59	24,97	20,57	14,71	9,03	6,48
НД	3,64	5,07	6,34	7,78	8,1	7,92	7,83	6,48	5,98	4,72	3,89	3,24
КЯ	0,45	0,5	0,49	0,53	0,61	0,65	0,66	0,68	0,68	0,64	0,51	0,44
ТВ	1	4,3	9,8	16,4	22,8	27,3	29,3	27,7	22,6	15,3	8,4	3,7

Таблица 1.1 – Среднемесячное суточное поступление суммарной Н и диффузной Н_д солнечной радиации, МДж/(м² сут), на горизонтальную поверхность, коэффициент ясности атмосферы К_Я, температура наружного воздуха Т_В,

Определение характеристик коллектора

1 Характеристики коллектора

Для указанного типа коллектора примем значения

2 Учет влияния теплообменника, разделяющего коллектор и бак-аккумулятор

Этот теплообменник устанавливается в жидкостных системах, если в качестве теплоносителя в контуре коллектора используют антифриз. Отношение находят из выражения

где _пр – Эффективность промежуточного теплообменника;

С_р – Теплоемкость антифриза;

– расход антифриза через коллектор, кг/с.

3 Влияние ориентации коллектора на долгосрочные характеристики

3.1 Расчет прихода радиации на наклонную поверхность

3.1.1 Отношение среднемесячных приходов прямой радиации на наклонную и горизонтальную поверхности [1]

где ω - часовой угол захода солнца на горизонтальной поверхности, равный

ω' – часовой угол захода солнца на наклонной поверхности:

- склонение солнца; в приближенных расчетах можно воспользоваться величинами для среднего дня каждого из 12 месяцев [ прилож. 2 ]

3.1.2 Для каждого месяца выбираем значение ρ в зависимости от наличия снега в данном месяце

3.1.3 Найдем значения коэффициента отношения общей радиации на наклонную поверхность к радиации на горизонтальную поверхность по формуле

Все расчеты выполняются в программе Microsoft Excel.

3.1.4 Среднемесячный дневной приход суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность H_T равен:

Все расчеты выполняются в программе Microsoft Excel. Значения всех расчетов заносим в таблицу 3.1.

3.2 Расчет нагрузки теплоснабжения

3.2.1 Расчет нагрузки отопления

3.2.1.1 Объем здания по внешнему обмеру, м³

3.2.1.2 Коэффициент учета района строительства здания

3.2.1.3 Удельная тепловая характеристика здания,

где – доля остекления ограждающих конструкция (принимаем значение );

- площадь наружных стен и пола здания в плане соответственно, м²

3.2.1.4 Величина

где - полный коэффициент тепловых потерь,

- площадь наружных поверхностей здания, м²

.2.1.5 Число градусо-дней в месяце, К ^. сут

Т = 18 °C.

3.2.1.6 Среднемесячная нагрузка отопления, ГДж

3.2.2 Расчет нагрузки горячего водоснабжения для января

Таблица 3.1 – Расчет прихода радиации на наклонную поверхность

Месяцы									,	,
Январь	7,42	0,45	0,413	0,587	0,883	0,519	0,3307	0,8892	6,598	204,525
Февраль	10,58	0,5	0,369	0,631	0,950	0,600	0,2953	0,9348	9,891	276,934
Март	13,63	0,49	0,377	0,623	0,991	0,617	0,3021	0,9594	13,076	405,364
Апрель	18,34	0,53	0,344	0,656	0,979	0,642	0,2759	0,9572	17,556	526,677
Май	24,16	0,61	0,284	0,716	0,936	0,671	0,2271	0,9378	22,657	702,382
Июнь	26,83	0,65	0,253	0,747	0,908	0,678	0,2025	0,9208	24,705	741,152
Июль	26,59	0,66	0,245	0,755	0,921	0,696	0,1962	0,9316	24,772	767,919
Август	24,97	0,68	0,229	0,771	0,964	0,743	0,1832	0,9662	24,126	747,895
Сентябрь	20,57	0,68	0,229	0,771	0,992	0,765	0,1832	0,9884	20,332	609,945
Октябрь	14,71	0,64	0,261	0,739	0,969	0,717	0,2087	0,9651	14,197	440,105
Ноябрь	9,03	0,51	0,361	0,639	0,903	0,578	0,2887	0,9062	8,183	245,481
Декабрь	6,48	0,44	0,422	0,578	0,860	0,497	0,3384	0,8751	5,670	175,780

3.2.2 Нагрузка ГВС для января, ГДж

где – плотность воды, кг/м³;

– теплоемкость воды, Дж/(кг К);

– суточный расход горячей воды на 1 человека, м³

– температура горячей воды,

– температура холодной воды, для средней полосы можно принимать:

4. , то

5. , то

– число жителей;

– число дней в соответствующем месяце.

3.2.3 Расчет нагрузки теплоснабжения для января

3.2.3.1 Среднемесячная нагрузка теплоснабжения, ГДж

Расчет среднемесячных нагрузок теплоснабжения приведен в расчетной таблице 3.2

3.2.3.2 Годовая нагрузка теплоснабжения, ГДж

Результаты расчетов сведены в таблицу 3.2.

Месяцы	Qгвс, ГДж	nд	,	a	g,	UA, Вт/К	,	, ГДж	, ГДж
Январь	2,7257	31	1	1,2497	1,309	279,3603	527	12,7201	15,4458
Февраль	2,4620	28	4,3				383,6	9,2588	11,7208
Март	2,7257	31	9,8				254,2	6,1356	8,8613
Апрель	2,6378	30	16,4				48	1,1586	3,7964
Май	2,7257	31	22,8				0	0	2,7257
Июнь	2,6378	30	27,3				0	0	2,6378
Июль	2,7257	31	29,3				0	0	2,7257
Август	2,7257	31	27,7				0	0	2,7257
Сентябрь	2,6378	30	22,6				0	0	2,6378
Октябрь	2,7257	31	15,3				83,7	2,0202	4,7460
Ноябрь	2,6378	30	8,4				288	6,9514	9,5892
Декабрь	2,7257	31	3,7				443,3	10,6998	13,4255
ГОД	32,0934							48,9445	81,0378

Таблица 3.2 – Расчет нагрузки теплоснабжения

3.3 Расчет долгосрочных характеристик ССТ для января

3.3.1 Безразмерный комплекс Х

где - площадь солнечного коллектора, м²;

- эффективный коэффициент отвода тепла, учитывающий влияние теплообменника;

- полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м^{2 .} К);

– среднемесячная температура наружного воздуха,

- полная месячная тепловая нагрузка, Дж.

Результаты расчетов для различных значений площади приведены в таблице 3.3.

3.3.2 Безразмерный комплекс Y

где - среднемесячная приведенная поглощательная способность;

- месячный дневной приход суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность коллектора, Дж/м²

Результаты расчетов для различных значений площади приведены в таблице 3.4.

3.3.3 Коэффициент замещения

Результаты расчетов для различных значений площади приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.3 – Безразмерный комплекс Х

Х
А	1	3	5	7	9	11	13	15	17
Январь	0,0477	0,1431	0,2385	0,3339	0,4293	0,5248	0,6202	0,7156	0,8110
Февраль	0,0547	0,1640	0,2734	0,3827	0,4921	0,6014	0,7108	0,8202	0,9295
Март	0,0749	0,2248	0,3747	0,5245	0,6744	0,8242	0,9741	1,1240	1,2738
Апрель	0,1553	0,4660	0,7766	1,0873	1,3980	1,7086	2,0193	2,3299	2,6406
Май	0,2041	0,6123	1,0206	1,4288	1,8370	2,2452	2,6535	3,0617	3,4699
Июнь	0,1904	0,5713	0,9522	1,3331	1,7140	2,0949	2,4758	2,8567	3,2375
Июль	0,1844	0,5531	0,9218	1,2906	1,6593	2,0281	2,3968	2,7655	3,1343
Август	0,1892	0,5677	0,9461	1,3246	1,7031	2,0815	2,4600	2,8384	3,2169
Сентябрь	0,2047	0,6142	1,0236	1,4330	1,8425	2,2519	2,6614	3,0708	3,4802
Октябрь	0,1303	0,3909	0,6515	0,9122	1,1728	1,4334	1,6940	1,9546	2,2153
Ноябрь	0,0682	0,2045	0,3409	0,4773	0,6136	0,7500	0,8863	1,0227	1,1590
Декабрь	0,0532	0,1597	0,2661	0,3725	0,4790	0,5854	0,6918	0,7983	0,9047

Таблица 3.4 - Безразмерный комплекс Y

У
А	1	3	5	7	9	11	13	15	17
Январь	0,0082	0,0246	0,0409	0,0573	0,0737	0,0900	0,1064	0,1228	0,1391
Февраль	0,0146	0,0438	0,0730	0,1022	0,1314	0,1606	0,1899	0,2191	0,2483
Март	0,0283	0,0848	0,1414	0,1979	0,2545	0,3110	0,3676	0,4241	0,4807
Апрель	0,0858	0,2573	0,4288	0,6003	0,7718	0,9433	1,1148	1,2863	1,4578
Май	0,1593	0,4778	0,7964	1,1149	1,4335	1,7520	2,0706	2,3891	2,7077
Июнь	0,1737	0,5210	0,8683	1,2157	1,5630	1,9104	2,2577	2,6050	2,9524
Июль	0,1741	0,5224	0,8707	1,2190	1,5672	1,9155	2,2638	2,6120	2,9603
Август	0,1696	0,5088	0,8480	1,1872	1,5264	1,8656	2,2047	2,5439	2,8831
Сентябрь	0,1429	0,4288	0,7146	1,0005	1,2863	1,5722	1,8580	2,1439	2,4297
Октябрь	0,0573	0,1720	0,2866	0,4012	0,5159	0,6305	0,7451	0,8598	0,9744
Ноябрь	0,0158	0,0475	0,0791	0,1108	0,1424	0,1741	0,2057	0,2373	0,2690
Декабрь	0,0081	0,0243	0,0405	0,0566	0,0728	0,0890	0,1052	0,1214	0,1376

Таблица 3.5 – Коэффициент замещения f

f
А	1	3	5	7	9	11	13	15	17
Январь	0,0053	0,0159	0,0263	0,0366	0,0469	0,0571	0,0671	0,0771	0,0870
Февраль	0,0114	0,0340	0,0562	0,0780	0,0995	0,1206	0,1414	0,1618	0,1818
Март	0,0240	0,0710	0,1165	0,1606	0,2033	0,2446	0,2846	0,3232	0,3605
Апрель	0,0764	0,2190	0,3484	0,4655	0,5707	0,6649	0,7485	0,8223	0,8869
Май	0,1446	0,3990	0,6105	0,7833	0,9216	1,0000	1,0000	1,0000	1,0000
Июнь	0,1591	0,4361	0,6626	0,8440	0,9858	1,0000	1,0000	1,0000	1,0000
Июль	0,1599	0,4384	0,6660	0,8483	0,9908	1,0000	1,0000	1,0000	1,0000
Август	0,1553	0,4266	0,6496	0,8293	0,9708	1,0000	1,0000	1,0000	1,0000
Сентябрь	0,1289	0,3586	0,5534	0,7163	0,8503	0,9585	1,0000	1,0000	1,0000
Октябрь	0,0497	0,1447	0,2337	0,3170	0,3948	0,4673	0,5347	0,5971	0,6548
Ноябрь	0,0118	0,0351	0,0579	0,0804	0,1024	0,1241	0,1453	0,1661	0,1866
Декабрь	0,0049	0,0145	0,0241	0,0335	0,0429	0,0522	0,0615	0,0706	0,0797

3.4 Расчет экономических показателей ССТ

3.4.1 Полная месячная тепловая нагрузка в случае теплоснабжения дома только за счет использования электрической энергии, кВт/ч

Результаты расчетов приведены в таблице 3.6.

3.4.2 Полная месячная тепловая нагрузка в случае теплоснабжения дома за счет использования электроэнергии с применением солнечного коллектора, кВт/ч

Результаты расчетов занесены в таблицу 3.7.

3.4.3 Стоимость электроэнергии при полной месячной тепловой нагрузке в случае теплоснабжения дома за счет использования электроэнергии с применением солнечного коллектора, грн

где - тариф на электроэнергию, грн/кВт

4. при

5. при

6. при

Результаты расчетов с учетом всех значений площадей приведены в таблице 3.8.

3.4.4 Капитальные затраты на электрический котел при теплоснабжении дома за счет использования электроэнергии с применением солнечного коллектора, грн

3.4.5 Капитальные затраты на приобретение и установку солнечного коллектора, грн

Таблица 3.6 – Полная месячная тепловая нагрузка в случае теплоснабжения дома только за счет использования электрической энергии Q _{без СК}, кВт

Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
4290,5	3255,779	2461,47	1054,5	757,15	732,73	757,15	757,15	732,73	1318,3	2663,7	3729,3

Таблица 3.7 – Полная месячная тепловая нагрузка в случае теплоснабжения дома за счет использования электроэнергии с применением солнечного коллектора, кВт

Q с СК
А	1	3	5	7	9	11	13	15	17
Январь	4267,72	4222,48	4177,66	4133,26	4089,27	4045,69	4002,53	3959,77	3917,41
Февраль	3218,58	3145,08	3072,79	3001,69	2931,78	2863,04	2795,46	2729,04	2663,76
Март	2402,30	2286,67	2174,61	2066,07	1960,98	1859,29	1760,95	1665,89	1574,06
Апрель	973,98	823,64	687,10	563,67	452,67	353,42	265,22	187,40	119,26
Май	647,69	455,07	294,92	164,07	59,36	0,00	0,00	0,00	0,00
Июнь	616,14	413,18	247,22	114,28	10,42	0,00	0,00	0,00	0,00
Июль	636,04	425,25	252,89	114,84	6,99	0,00	0,00	0,00	0,00
Август	639,54	434,12	265,29	129,22	22,10	0,00	0,00	0,00	0,00
Сентябрь	638,28	469,96	327,22	207,85	109,65	30,41	0,00	0,00	0,00
Октябрь	1252,76	1127,61	1010,24	900,40	797,83	702,27	613,47	531,18	455,12
Ноябрь	2632,24	2570,23	2509,33	2449,54	2390,84	2333,21	2276,66	2221,16	2166,71
Декабрь	3711,20	3675,22	3639,56	3604,22	3569,20	3534,49	3500,11	3466,03	3432,27

Таблица 3.8 – Стоимость электроэнергии при полной месячной тепловой нагрузке в случае теплоснабжения дома за счет использования электроэнергии с применением солнечного коллектора, грн

S с ск
А	1	3	5	7	9	11	13	15	17
Январь	3200,79	3166,86	3133,25	3099,94	3066,95	3034,27	3001,89	2969,82	2938,06
Февраль	2413,93	2358,81	2304,59	2251,27	2198,83	2147,28	2096,60	2046,78	1997,82
Март	1801,72	1715,00	1630,96	1549,55	1470,74	1394,47	1320,71	1249,42	1180,54
Апрель	730,49	617,73	219,87	180,37	144,86	113,09	74,26	52,47	33,39
Май	207,26	145,62	82,58	45,94	16,62	0,00	0,00	0,00	0,00
Июнь	197,16	132,22	69,22	32,00	2,92	0,00	0,00	0,00	0,00
Июль	203,53	136,08	70,81	32,16	1,96	0,00	0,00	0,00	0,00
Август	204,65	138,92	74,28	36,18	6,19	0,00	0,00	0,00	0,00
Сентябрь	204,25	150,39	104,71	58,20	30,70	8,52	0,00	0,00	0,00
Октябрь	939,57	845,70	757,68	675,30	255,31	224,73	196,31	169,98	145,64
Ноябрь	1974,18	1927,67	1882,00	1837,16	1793,13	1749,91	1707,49	1665,87	1625,04
Декабрь	2783,40	2756,41	2729,67	2703,16	2676,90	2650,87	2625,08	2599,52	2574,20
ГОД	14860,94	14091,42	13059,61	12501,23	11665,09	11323,14	11022,35	10753,87	10494,69

где 2000 – стоимость 1 м² коллектора, грн;

1000 – стоимость 1 м³ БА, грн;

1000 – стоимость воздушного теплообменника, грн;

- стоимость насосной группы (5 шт.), грн;

2000 – стоимость трубопроводов, грн;

1000 – затраты на изоляцию труб, грн;

1,05 – коэффициент учитывающий запас на стоимость проекта;

1,2 – коэффициент учитывающий запас на стоимость работ;

1,1 – коэффициент учитывающий запас на стоимость транспортировки и доставки;

3.4.6 Капитальные затраты на котел при теплоснабжении дома только за счет использования электроэнергии, грн

3.4.7 Экономия средств на котел за счет установки СК, грн

3.4.8 Суммарные капитальные затраты, грн

3.4.9 Годовая экономия средств за счет установки СК, грн

3.4.10 Срок окупаемости, год

Результаты расчетов пп. 3.4.4 – 3.4.10 сведены в таблицу 3.9.

Площадь, м2		, грн		, грн		Э, грн	Р, год
1	8604,276	25744,950	8650,198	45,922	25699,028	415,070	61,915
3	8513,069	31496,850		137,129	31359,721	1184,592	26,473
5	8422,706	37248,750		227,491	37021,259	2216,400	16,703
7	8333,184	43000,650		317,014	42683,636	2774,783	15,383
9	8244,497	48752,550		405,701	48346,849	3610,919	13,389
11	8156,640	54504,450		493,558	54010,892	3952,873	13,664
13	8069,609	60256,350		580,589	59675,761	4253,658	14,029
15	7983,397	66008,250		666,800	65341,450	4522,144	14,449
17	7898,002	71760,150		752,196	71007,954	4781,321	14,851

Таблица 3.9 – Расчет срока окупаемости установки

3.4.11 На основе данных таблицы 3.9 построим график зависимости срока окупаемости СК от его площади (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 – График зависимости срока окупаемости СК от его площади

Из данных графика можно сделать вывод о том, что для заданных условий целесообразно устанавливать солнечный коллектор площадью 9 м², т.к. в этом случае он имеет наименьший срок окупаемости 13,389 м², что и подтверждается нашим расчетом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной контрольной работе были определены коэффициенты, характеризующие отношение общей радиации на наклонную поверхность к радиации на горизонтальную поверхности, месячные поступления радиации на наклонную поверхность в заданной местности, произведен расчет нагрузки теплоснабжения дома (отоплении и ГВС), а также суммарной годовой нагрузки. Исходя из исходных данных о типе коллектора рассчитан коэффициент замещения f (доля полной месячной нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии) для каждого значения рассматриваемой площади коллектора.

Для данной системы солнечного теплоснабжения в городе Ашхабад получена оптимальная площадь СК, равная 9 м²; она была рассчитана через наименьший срок окупаемости установки, который составил 13,389 года.