Глава пятая

раСчет и проектирование солнечньїх

УСТАНОВОК

14. РАСПОЛАГАЕМОЕ КОЛИЧЕСТВО СОЛНЕЧНОЙ ЗНЕРГИИ И ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА

Расчет солнечньїх установок включает определение располагаемого количества солнечной знергии, тепло- производительности солнечного коллектора и установки в целом, тепловой нагрузки отопления и горячего водо­снабжения, знергетических и геометрических характе­ристик гелиосистеми, в том числе площади поверхности коллектора, обьема аккумулятора теплоти, годовой доли солнечной знергии в покрнтии тепловой нагрузки и годо­вой зкономии топлива.

Определение располагаемого количества солнечной знергии. Количество солнечной знергии, поступающей на горизонтальную поверхность Земли, сильно зависит от широтьі местности (см. рис. 1 и табл. 1). Отношение сред- немесячньїх приходов солнечной радиации в июне и де- кабре с увеличением широти возрастает, и на широте 50° ,с. ш. оно приблизительно равно 13. Еще в большеи мере различается поступление солнечной знергии в са­мий хороший и самьгй плохой дни года, при зтом отно- шение Ямакс и £„_ян может достигать 50. Зти данньїе сви- детельствуют о большом изменении в течение года коли- чества поступающей солнечной знергии, а следовательно, и о подобном изменении теплопроизводительности гелио­системн.

Для расчета располагаемого количества солнечной знергии, поступающего на наклонную лучепоглощающую поверхность, необходимо знать угльї падения солнечньїх лучей на наклонную и горизонтальную поверхности в данном месте. Положение некоторой точки А на зем- ной поверхности относительно солнечннх лучей в дан- ний момент времени определяется тремя основними уг- лами — широтой местоположения точки <р, часовим уг- лом сі и склонением Солнца б (рис. 66). Широта <р — зто угол между линией, соединяющей точку А с центром Зем- ли 0, и ее проекцией на плоскОсть зкватора. Часовой угол w — зто угол, измеренньїй в зкваториальной плос- кости между проекцией линии 0А и проекцией линии, со­единяющей центри Земли и Солнца. Угол со=0 в солнеч- ний полдень, а 1 ч соответствует 15°. Склонение Солн- ца б — зто угол между линией, соединяющей центри Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость зкватора. Склонение Солнца б в течение года непрерьівно изменя­ется— от —23°27' в день зимнего солнцестояния 22 де- кабря до + 23°27^/ в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября).

Склонение Солнца в данний день определяется по формуле

6 = 23,45sin(360 ²⁸⁴⁺--Y V 365 )

где п — порядковий номер дня, отсчитанний от 1 января. В качестве п обнчно берется номер среднего расчетного дня месяца для І—XII месяцев года.

Ниже приводятся данние для п и б для среднего дня І—XII месяцев:

п 17 47 75 105 135 162 198 228 258 288 318 344

Є, град. . —20,9 —13 —2,4 9,4 18,8 23,1 21,2 13,5 2,2 —9,6 —18,9 —23

Наряду с тремя основними углами <р, ю и б в расче- тах солнечной радиации используют также зенитннй

угол z, угол висоти а и азимут а Солнца (рис. 67).

Зенитннй угол Солнца г — зто угол между солнечннм лучом и нормалью к горизонтальной плоскосте в точ-

Рис. 67. Угльї, определяюїдие положение точки А на земноіі поверх* ности отиосительно солнечннх лучей

ке А. Угол вьісотьі Солнца ос—зто угол в вертикальной плоскости между солнечньїм лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Сумма a-j-z равна 90°. Ази­мут Солнца а — зто угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг. Азимут поверхности а„ измеряется как угол между нормалью к поверхности и направлением на юг.

Связь между дополнительньїми и основними углами устанавливается следующими уравнениями:

зенитннй угол COSZ = COSG) COS ф еоаб+БІПф sin б;

угол висоти Солнца а=90—2, позтому sina=cosz;

азимут Солнца sin а—sec a cos б sin ш.

В солнечннй полдень (со=0) а—0 при ф>6 и а—я при ф<б.

Максимальний угол висоти Солнца достигается В солнечннй полдень при (0 = 0, Т. е. ЄХмакс = я/2—|ф—б І.

При пользовании приведенннми формулами для се- верного полушария широта ф берется со знаком «+», а для южного — со знаком «—», склонение Солнца б имеет знак «+» для лета (от весеннего до оееннего рав- ноденствия) и знак «—» в остальное время года. Угол « изменяется от 0 в солнечннй полдень до 180° в полночь, при о)<90° он имеет знак «+»> а при ©>90° — знак «—». Азимут Солнца а изменяется от 0 до 180°.

Угол падения солнечннх лучей на произвольно ори- ентированную поверхность, имеющую азимут а„ и угол наклона к горизонту определяется по формуле

cos і = sin р [cos б (sin ф cos а_п cos ю + sin а_п sin со) —

— sin б cos ф cos a_nl + cos {5 [cos б cos ф cos to -j- sin б sin ф],

где ф — широта; б — склонение Солнца; ю —часовой угол Солнца.

Угол падения лучей на горизонтальную поверхность 0=0)

cos г = cos б cos ф cos ю + sin б sin ф.

Угол падения лучей на вертикальную поверхность (Р=90°)

cos і = cos б (sin ф cos a_n cos to +

+ sin а_и sin to) — sin б cos ф cos a_n.

Азимут вертикальной поверхности a_n в том случае. если она ориентирована на юг, равен 0°, на запад 90°, навосток —90°, на север 180°. Подставляя зти значення а_а в последнюю формулу, получаем вьіражения- для угла падения лучей на вертикальную поверхность данной ориентации.

Для наклонной поверхности с южной ориентацией (а_п—0°) имеем

»

COS І = sin (ф — Р) sin б + COS (ф — р) COS б COS 0).

Для обеспечения улавливання максимального коли- - чества (за раСчетньїй период) солнечной знергии кол­лектор обьічно устанавливают в наклонном положений с оптимальним углом наклона к горизонту.

Среднемесячное дневное суммарное количество сол­нечной знергии, поступающей на наклонную поверхность солнечного коллектора, определяется по формуле

Е_в = RE,

где Е — среднемесячное дневное суммарное количество солнечной знергии, поступающей на горизонтальную по­верхность, МДж/(м²-дни); R — отнощение среднемесяч- них дневньїх количеств солнечной радиации, поступаю- щей на наклонную и горизонтальную поверхности.

Т а б л и ц а 5. Среднемесячньїй козффициент пересчета суммаркоге потока солнечной знергии с горизонтальной плоскости на поверхность коллектора. Широта 50° с. ш. \ Угол наклона КСЗ к горизонту р, град Месяц	зо	45	60	90
і	1,3	1,37	1,37	1,18
п	1,35	1,43	1,44	1,23
пі	1,24	1,27	1,23	0,98
IV	1,1	1,07	0,99	0,69
V	1,02	0,95	0,84	0,53
VI	0,98	0,9	0,78	0,47
VII	0,99	0,92	0,81	0,49
VIII	1,07	1,02	0,93	0,62
IX	1,2	1,21	1,15	0,88
X	1,34	1,41	1,4	1,18
XI	1,32	1,4	1,4	1,21
XII	1,41	1,52	1,56	1,39
Среднегодовое значение	1,11	1,09	1,01	0,72

В табл. 5 данн значення отношения R среднемесяч- ннх потоков суммарной солнечной радиацни, поступаю- щей на наклонную и горизонтальную поверхности на од- ной широте (50° с. ш.). Зто отношение представляет со­бой козффициент пересчета количества солнечной знергии с горизонтальной плоскости на поверхность солнечного колектора с углом наклона к горизонту от ЗО до 90° (вертикальное положение).

На количество солнечной знергии, поступающей на наклонную поверхность коллектора, оказьівает влияние ориентация коллектора относительно южного направ­лення, характеризуемая углом между нормалью к плос­кости КСЗ и южньїм направлением — азимутом коллек­тора а_к. При а_к= ± 15° среднегодовой приход солнечной знергии на поверхность солнечного коллектора по срав- нению с южно ориентированньїм коллектором уменьша- ется всего на 2 %, а при а_к=±40° — на 13 %, при зтом наибольшее отклонение (25%) имеет место в январе — декабре и наименьшее (5 %) — в июне — июле.

Козффициент пересчета количества солнечной знео- гии с горизонтальной поверхности на наклонную поверх­ность солнечного коллектора с южной ориентацией равен сумме трех составляющих, соответствующих прямому, рассеянному и отраженному солнечному излучению:

R = (І - -§L) Я. + Л l+fl. + р ,

где Ер — среднемесячное дневное количество рассеянно- го солнечного излучения, поступающего на горизонталь­ную поверхность, МДж/(м²-дни); Е_р/Е — среднемесяч- ная дневная доля рассеянного солнечного излучения; R„ — среднемесячньїй козффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность; р — угол наклона поверхности солнечного коллектора к горизонту; р — козффициент отражения (альбедо) поверхности Земли и окружающих тел, обьіч- но принимаемий равннм 0,7 для зими и 0,2 для лета.

В табл. ПІ приведени данние по поступленню сум- марного и рассеянного солнечного излучения на гори­зонтальную поверхность для основних городов СССР, а более подробни^ данньїе содержатся в «Справочнике по климату СССР».

Среднемесячньїй козффициент пересчета прямого сол- нечного излучения для поверхности наклонного коллек­тора с южной ориентацией имеет вид

я

cos (ф — Р) cos б sin Шз.н + “з.н sin (Ф — Р) sin б

nos Ф cos б sin со₃ + ;••• ¹ (й₃ sin ф sin б

180

где <р — широта местности, град; р — угол наклона кол­лектора к горизонту, град; б — склонение Солнца в средний день месяца, град.

Часовой угол захода (восхода) Солнца для горизон- тальной поверхности

© з = arccos (— tg ф tg б).

В качестве часового угла захода Солнца для наклон- ной поверхности с южной ориентацией принимают мень- шую из двух величин: о)₃ или величину <й₃.н, рассчитан- ную по формуле

(0₃ я f= arccos [— tg (ф Р) tg б].

Угол склонения Солнца б для среднего дня месяца рассчитьівается по приведенной внше формуле:

Расход теплоти на отопление и горячее водоснабже- ние. Тепловую нагрузку отопления (Дж) для каждого М*сяца можно определить по формуле

Qo ~ Fі + ФиііФ Qb.t*

где Кі — расчетньїй козффициент теплопотерь для дан- ного злемента ограждающих конструкций (стен, окон, по- толка, пола), Вт/(м²-°С); Ft — площадь поверхности зле- Мбнта ограждающих конструкций, м²; At — расчетная разность температур, °С; т — продолжительность рас- четного периода, с; Q_BH$ — теплопотери, обусловленньїе инфильтрацией холодного воздуха, Дж; Q_B._T — внутрен- нее тепловьіделение от людей, оборудования, осветитель- ньіх приборов, Дж.

Для многослойннх стен и других злементов огражде- ния козффициент теплопотерь равен

/с=(—+ У]т^-+”Г¹’

\ ^ав ®н /

1=1

где а_в и а_н — козффициентьі теплоотдачи для внутрен- ней и наружной поверхностей стеньї, Вт/(м2.°С); б/ и Яі —толщина (м) и козффициент теплопроводности [Вт/(м.°С)] слоя стеньї.

Средний расход теплотн (Дж) на горячее водоснаб­жение здания за расчетньїй период

Qr.B — 1,2дС_р р (^_гв ^х.в) Nn,

где N — число жителей; а — норма расхода водн на го­рячее водоснабжение жилнх зданий на 1 человека в сут- ки, л/сут; /_х.в — температура холодной (водопроводной) водьі, °С; С_р — удельная изобарная теплоемкость водьі, равная 4190 Дж/(кг>°С); р — плотность водьі, равная

Рис. 68. Номограмма для определения расходов теплоти и води на горячее водоснабжение

1 кг/л; t_r.B — температура горячей водьі, °С; п — число дней в расчетном периоде.

Тепловую нагрузку отопления и горячего водоснабже- ния за месяц можно записать как QM ₌. Q_o _|_ Q_{r i>},

Годовая тепловая нагрузка складьівается из месячньїх величин:

і

На рис. 68 приведена номограмма для определения расходов горячей-води У_г._в (м³) и теплотьі Q_r._B (ГДж) за месяц или год в зависимости от числа жителей N, су- точной нормьі расхода водьі а (л/дни) на 1 человека, раз- ности температур AT. горячей и холодной водьі, °С.

Приведем пример пользования номограммой. При су- точной норме расхода води 80 л/чел в день и разности температур водн Д7'=30^оС годовой расчетннй расход теплотн Q^r°* для N=4 чел. равен 15ГДж/год, а для 40 чел. 150 ГДж/год, а расход водьі 1350 м³/год.

14. РАСЧЕТ ПАССИВНЬІХ ГЕЛИОСИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ

При разработке технического задания и зскизном про- ектировании пассивной гелиосистемн отопления учитьіва- ются самьіе общие ограничения, налагаемьіе на систему такими факторами, как географическое местоположение здания и его назначение, размерн здания, допустимая стоимость, располагаемьіе или необходимьіе материалн и т. п. Как правило, ведется зскизная проработка не- скольких вариантов гелиосистемн, которая заканчивает- ся вибором предпочтительного варианта. После зтого ве­дется разработка детального проекта и принимаются решения относительно расположения, размеров комнат, ориентации здания, внбора материалов и уточнення всех размеров. В результате вьіполнения зтой второй стадии проектирования получается вполне конкретная конструк­тивная разработка здания. Иногда на зтой стадии раз- рабатьіваются конкурирующие вариантьі, например отли- чающиеся различннми архитектурно-планировочннми решениями или используемьши строительньїми материа- лами, с учетом зкономических и теплотехнических фак- торов. Зто тастадия проектирования, на которой при- нимаются все основние архитектурние и инженерньїе решения. После зтого вьіполняются рабочие чертежи со всеми необходимьіми деталями — с указанием размеров, материалов, т. е. со всем, что требуется для осуществле- ния строительства здания с пассивной гелиосистемой.

Относительная площадь солнцеулавлнвающих поверх­ностей в различньїх климатических зонах может состав- лять 10—100 % площади отапливаемих помещений. При зтом за счет использования солнечной знергии обеспечи­вается определенная доля f (от 10 до 80 %) тепловой на­грузки отопления и соответственно уменьшается расход теплоти от топливного источника. В случае же исполь­зования подвижной тепловой изоляции, закрнвающей в ночное время лучепрозрачньїе поверхности, теплопотери здания значительно снижаются и зффективность гелио- системи возрастает в 1,5—2,5 раза. При расчете гіассив- ннх гелиосистем необходимо определить площадь свето- прозрачних поверхностей наружньїх ограждений здания, используемьіх для улавливання солнечной знергии, и мас- су теплоаккумулирующих злементов пола, стен, потолка. Как правило, зти злементьі вьіполняются из бетона, но для аккумулирования теплоти могут также использо- ваться емкости, заполненнне водой. При зтом удельние масса и обьем теплоаккумулирующих злементов, отне- сеннме к 1 м² площади остекленних поверхностей, ориен- тированних на юг, определяются в зависимости от доли / (%) солнечной знергии в покрнтии тепловой нагрузки отопления как m_ak=Cf; v_aK—C_o6f. Значення козффици- ентов определяются видом теплоаккумулирующего зле- мента. Так, для емкости с водой С—3 кг/(% -м²) и С₀с= =0,003 м³/(%-м²), для бетонной или каменной стени (пола) — соответственно 15 и 0,0075.

Следует отметить, что величина / практически соответ- ствует процентному снижению расход а теплоти от обнч- ного топливного источника. Так, например, если требует­ся снизить теплопотребление дома на 40 %, что соответ- ствует значенню /=40%, необходимьіе удельньїе масса и обьем водяного аккумулятора теплоти составят соот­ветственно 120 кг/м² и 0,12 м³/м², а бетонной стени (по­ла) 600 кг/м² и 0,3 м³/м². При /=104-80% удельний об-ьем и_ак, отнесенний к 1 м² площади солнцеулавливаю­щих поверхностей южного фасада, равен для емкостей с водой 0,03—0,24 и для бетонной стени (пола) 0,08-- 0,6 м³/м². ~ 'Рассмотрим пример оценки массн теплоаккумулирую- щих злементов дома жилой площадью 120 м² при усло- вии, что требуется снизить теплопотребление за счет сол­нечной знергии на 60 % и что площадь светопрозрачних поверхностей, улавливающих солнечную знергию, равна 40 м². АкКумулирование теплотн осуществляется в бетон- ном полу. В соответствии с приведенньши вьіше данньїми необходимнй удельньїй обьем теплоаккумулирующего бе­тонного пола составит v_aK = C₀6f=0,0075-60 = 0,45 м³/м², а всего требуется У_ак=40-0,45=18 м³ бетона. Зто озна- чает, что пол должен иметь толщину 0,45 м. Необходимнм условием зффективного функдионирования пассивной системи отопления является рациональное размещение теплоаккумулирующего злемента, обеспечивающее его облучение Солнцем в течение как минимум 4 ч в день. Для зтого он должен бить размещен непосредственно вблизи остекления.

Как должно бить ориентировано здание с пассивннм использованием солнечного излучения для отопления? Наилучшая ориентация здания— южная, однако допус- кается отклонение фасада здания до 30° к востоку или западу.

Системи прямого улавливания солнечной анергии.

-В пассивннх гелиосистемах зтого типа (см. рис. 32, а) улавливается солнечное излучение, поступающее внутрь здания через остекленнне поверхности окон в южной сте­не. Для наилучшего использования солнечной знергии окна южной ориентации должньї иметь определенную площадь. Оптимальная величина удельной площади всех южньїх окон а_оК, отнесенная к 1 м² жилой площади дома, зависит от средней температури наружного воздуха в зимний период (точнее, в декабре и январе) J_B и от степени теплоизолированности дома:

Температура на­ружного возду­ха зимой Гв, °С Удельная площадь южньїх окон

йон. М²/м²-.

в стандарТном жилом доме в доме с улуч- шенной тепло- изоляцией .

солнечньїс 3

Глава вторая 3

зо 10

Г л а в а т р ет ья СОЛНЕЧНЬІЕ УСТАНОВКИ КОММУНАЛЬНО-БЬІТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ 1

/с=(—+ У]т^-+”Г¹’ 1

/ = Q“/Q“ = (Q“ - Ql)/Q: = і - QyQ"_H, 1

W = m/(pte, 9

С_ак = С_т р_т (1 8), 9

г і vzzzzm/ / 24

/VWWW 35

Прим ер 1. Рассчитать площадь остекленной поверхности южного фасада дома площадью 100 м², необходимую для обеспече- ния 50 % тепловой нагрузки отопления. Дом оснащен пассивной си­стемой прямого улавливания солнечной знергии, находится в Криму, и его южннй фасад не затеняется. Для данного местоположения до­ма при относительной площади остекления, приходящейся на 1 м² жилой площади дома, равной 0,18 м²/м², обеспечивается снижение теплопотребления на 18 % (без применения теплоизоляции окон в ночное время) и на 44 % (с применением тепловой изоляции), а при «ок=0,36 м²/м² — соответственно на 24 и 68%. Построив гра­фин линейной зависимости между а_ок и снижением теплопотребления (%), можно найти такое значение а₀к, которое соответствует задан- ному значенню (50 %) снижения теплопотребления. Получаем а_а«— = 0,225 м²/м² в случае использования тепловой изоляции в ночное время. Требуемая площадь остекления равна Аок — Оок^пол “ =0,225-100=22,5 м².

Количество солнечной знергии, пропущенной через окно внутрь помещения за определенннй промежуток времени (час, день), опре- деляется количеством солнечной знергии, поступающей на верти­кальную поверхность в данной местиости с учетом ориентации и возможного затенения окна, а также его ііропускательной способ­ностью. В табл. П2 приведеньї значення суточньїх количеств солнеч­ной знергии Е, поступающей на горизонтальную поверхносіь, и £_Пр, пропущенной через окно в вертикальной стене различной ориентации в ясннй день для 21 числа каждого месяца на широте 40—56° с.'ш. При зтом величина Е_пр отнесена к 1 м² площади окна.

С учетом теплопередачи через окно общее количество солнечной знергии (МДж/дн), пропущенной через одно за день, определяется по формуле

Qoct ⁼ І^пр ^зат К (^в ^н)1 ^окі

где £_пр — количество пропущенной солнечной знергии, МДж/м² в день; Каат — козффициент затенения окон (табл. 6); К — козффи-

Т а б л и ц а 6. Козффициент затенения при толщине стекла 3 мм Вид остекления	Окна без штор	При налнчии
		жалюзи	светльїх штор	темних штор
Одинарное остекление Двойное остекление с воздуш- нмм зазором 8 мм	1 0,87	0,55 0,5	0,55 0,47	0,7 0,57

циент теплопередачи через окна, Вт/(м²-К); ів и U — температури внутреннего и наружного воздуха, °С; А_ал — площадь солнцеулавли- вающего остекления южной стени, м².

Расчет количества солнечной знергии, проходящей через окна, за средний облачньїй день вьіполняется по формуле

Qf_KH = <K^H_H=^_npon^_aHoH, где е — козффициент, учнтьівающий ослабление плотности потока поступающей солнечной знергии в облачннй день по сравнению с яс- ньім днем (для ясного дня е = І).

П р и м е р 2. Рассчитать количество солнечной знергии, посту­пающей через южное окно с двойним остеклением площадью 8 м² в средний облачньїй день 21 января в доме, расположенном на широ- те 48° с. ш.

Через одинарное остекление на южной стороне дома за ясньїй день 21 января на широте 48° с. ш. проходит 15,91 МДж/м² в день. Козффициент затенения берем из табл. 6, для двойного остекления без штор J(аа_т = 0,87. Для среднего облачного дня принимаем е=0,6. Количество солнечной знергии, пропущенной окном с двойнмм остек­лением за средний облачньїй день, равно = 0,6-15,91-0,87-8=

= 66,44 МДж.

Расчет площади теплоаккумулирующей стени Тромба и примнкающей к зданию гелиотеплицн. Требуемая пло­щадь поверхности (м²) остекленной южной теплоаккуму­лирующей стенн Тромба определяется по формуле А_Ст— =а_СТі4_Пол- Аналогичная формула используется для оп- ределения площади остекленной поверхности пристроен- ной к южному фасаду здания гелиотеплицн (оранжерей, зимнего сада) • А теп — Ятеп^пол-

Значення удельной площади стенн Тромба а_ст и при- строенной к южной стене дома гелиотеплицн а_теп, отне- сенньїе к 1 м² площади отапливаемьіх помещений, зависят от средней для зимнего периода (точнеє, для декабря и января) температури наружного воздуха в местности, где расположен дом, и материала, в котором происходит ' аккумулирование теплоти. В обеих рассматриваемнх пассивних гелиосистемах отопления аккумулирование теплотн может происходить в бетонной или каменной стене, расположенной на небольшом расстоянии от остек^ ления (стена Тромба) или отделяющей теплицу от дома, или в ємкостях с водой, постарленньїх друг на друга та­ким образом, что они образуют сплошную стену. В т.абл. 7 приведеньї значення удельной площади поверхности ос­текления стенн Тромба а_ст и примьїкающей к южной сте­не дома гелиотеплицн (оранжерей, зимнего сада) в зави- - симости от температури наружного воздуха зимой Т_в и способа аккумулирования теплоти. Толщина теплоак­кумулирующей стени зависит от вида строительного ма­териала, из которого она сделана. Так, каменная стена

Т а б л и ц а 7. Удельная площадь остекления стеньї Тромба а_ст н гелиотеплицн а_ТЄп, отнесенная кім² площади отапливаемьіх помещений дома (м²/м²)

Температура воздуха зимой Гв, °С	аст	°теп
— 10	0,72—1	1,05—1,7
— 4	0,5—0,93	0,78—1,3
2	0,35—0,6	0,53—0,9
7	0,22—0,35	0,33-0,53

должна иметь толщину от 200 до 300 мм, кирпичная — от 250 до 350 мм, а бетонная — от 300 до 450 мм. Стена, составленная из емкостей с водой, должна иметь толщину не менее 150 мм. Суточньїе колебания температурні воз­духа внутри помещений с увеличением толщиньї стеньї уменьшаются. Так, при использовании бетонной стенн температура воздуха колеблется в пределах ±7 °С при толщине стеньї 200 мм, ±4 °С при толщине 300 мм, ±2,5 °С при толщине 500 мм и ± 1 °С при толщине 600 мм. Скорость распространения теплоти в стене определяется отношением козффициента теплопроводности материала к его обт>емной теплоемкости: она тем вьіше, чем больше зто отношение. При зтом стена может иметь большую толщину.

П р и м е р 3. Определить площадь стени Тромба, необходимую для покрнтия за счет солнечной знергии 50 % тепловой нагрузки отопления помещения площадью 40 м² при средней температуре на­ружного воздуха в зимние месяцьі 0—2 °С.

По табл. 7 находим среднее значение а_ст=0,475 м²/м² при Т_в= =2 °С. Для покрнтия всей тепловой нагрузки требуется бетонная стена Тромба площадью Лст=асИпол = 0,475-40= 19 м². Для обеспе- чения 50 % тепловой нагрузки отопления необходимо иметь бетонную стену площадью 9,5 м². При зтом температура воздуха в помещенйях будет поддерживаться на уровне 18 °С при условии, что остальнне 50 % тепловой нагрузки будут покриваться топливннм источником.

П р и м е р 4. Определить требуемую площадь поверхности остекления пристроенной к южному фасаду здания гелиотеплицн при следующих условиях: средняя температура наружного воздуха в зимние месяцн равна 0°С, площадь отапливаемнх помещений 120 м², доля покрнтия тепловой нагрузки за счет солнечной знергии равна 0,6.

Принимаем по табл. 7 для бетонной стенн при 0°С а_ІЄіі=0,83. С учетом заданной доли солнечной знергии в обеспечении тепловой нагрузки получаем требуемую площадь южной поверхности остекле­ния гелиотеплицн: Л_ТЄп=0,83-0,6-120=59,76 м².

Масса теплоаккумулирующих злементов и их разме- щение в здаиии. Поступающая через светопрозрачньїе по­верхности остекления солнечная радиация поглоіцается частью внутренних поверхностей отапливаемьіх помеще­ний здания или отражается ими на другие внутренние поверхности. Знергия, поглощенная поверхностью, пере- дается внутрь материала путем теплопроводности. Увели- чение температури теплоаккумулирующих злементов, вьізиваемое поглощением солнечной знергии, может бнть приближенно определено ПО формуле Д/ = Quota/(VC'), где Qnoi-л — количество поглощенной знергии, Дж; V — обьем теплоаккумулирующего злемента, м³; С' — удель- ная об^емная теплоемкость материала, Дж/(м³-°С).

Поглощательная способность поверхности зависит от материала, из которого она сделана, и ее цвета. При па- дении солнечннх лучей по нормали к поверхности погло­щательная способность ос различннх материалов имеет следующие значення: для бетона — 0,6, красного кирпи- ча — 0,68, гранита — 0,55, песчаника — 0,54, черепицн — 0,69, древесиньї (соснн) — 0,6. Поглощательная способ­ность а зависит также от цвета поверхности: для бело- го — 0,18, желтого — 0,33, темно-красного — 0,57, коричневого — 0,79, серого — 0,75, черного (матового) — 0,96, светло-зеленого — 0,5, темно-зеленого — 0,88.

Зффективность пассивннх гелиосистем отопления зда­ний существенно зависит от массьі теплоаккумулирую­щих злементов и их размещения в здании. Увеличение суммарной теплоемкости солнцеулавливающих теплоак­кумулирующих злементов, отнесенной к 1 м² площади остекленннх поверхностей здания, повьішает зффектив­ность пассивной гелиосистемн прямого улавливания сол­нечной знергии до определенного предела. При С== 175-4- -^225 Вт.ч/(м²*°С) график зависимости зффективности системи от общей теплоемкости стремится к горизон­тальной линии, т. е. достигается максимальная зффектив­ность. Позтому минимальная масса теплоаккумулирую­щих злементов соответствует значенню суммарной тепло­емкости С, отнесенной к 1 м² площади остекленннх по­верхностей, пропускающих солнечную знергию внутрь здания, равному 175 Вт-ч/(м²-°С). При больших значе­ннях массн теплоаккумулирующих злементов вся или почти вся уловленная солнечная знергия полезно исполь- зуется, поглощаясь теплоаккумулирующими злементами, н не происходит перегрева здания, а суточние изменения температури воздуха внутри помещений будут небольши- ми. Верхний предел массьі всех теплоаккумулирующих злементов определяется технико-зкономическим расче- том.

П р и м е р 5. Рассчитать требуемнй суммарннй обьем теплоак- кумулирующих злементов из бетона [С_б=522 Вт-ч/(м³-°С)] и в ви­де емкостей с водой [С_в=1163 Вт-ч/(м³-°С)] при их суммарной теп- лоемкости, отнесеннной кім¹ солнцеулавливающей остекленной поверхности, равной С=200 Вт-ч/(м²-°С) для дома с площадью остекления южного фасада Лос_т=40м^?. Обьем теплоаккумулирую- ідих злементов из бетона равен 1^,в=СЛ_Ост/Сб=200-40/522=15,33 м», из емкостей с водой и_в=С/4₀₀т/С’ = 200-40/1163 = 6,88 м³. Теплоакку- мулирующие злементн следует размещать таким образом, чтобн они могли непосредственно получать солнечное излучение или поглощать излучение, отраженное другими поверхностями интерьера. Наилуч- шим твердим теплоаккумулирующим материалом является бетон, затем следуют кирпич, дуб, сосна, гипс (сухая штукатурка). Тепло- аккумулирующие злементьі могут служить ограждениями здания, т. е. его стенами, полом или потолком. При зтом наружная поверх­ность зтих злементов должна бьіть теплоизолирована. Если толщина теплоаккумулируюіцего злемента равна 50 мм, то требуемая пло­щадь поверхности злемента, отнесенная с 1 м² светопрозрачного огражденяи (остекления южного фасада), составит для бетона 7 м², кирпича 8 м², дуба 11 м², соснн ІЗ м² и гипса 21 м². При толщине бетона 100 мм достаточно 5 м², а при толщине 200 мм—3 м². Зти данние относятся к злементам, непосредственно поглощающим сол­нечное излучение, т. е. они должньї бнть размещеньї так, чтобьі сол­нечное излучение попадало на них в течение не менее 4 ч в день. В случае, когда теплоаккумулирующие злементн (потолок, стеньї) расположенн так, что на них не попадает прямое солнечное излуче­ние, и они нагреваются за счет отраженного солнечного излучения и излучения внутренних поверхностей или конвектнвного теплооб- мена с воздухом, толщина материала или площадь поверхности теп­лоаккумулируюіцего злемента, отнесенная к 1 м² площади остекле­ния южного фасада, должна бить приблизительно в 2 раза больше, чем в первом случае.

Третий вариант размещения теплоаккумулирующих злементов соответствует случаю, когда они не являются частями ограждений и строительних конструкций, а установлень! внутри помещений, отап- Ливаемнх за счет прямого поступлення солнечного излучения. Зто могут бить емкости с водой или злементьі, внполненньїе из строи- тельньїх материалов. При зтом относительная площадь освещенной солнечннм излучением поверхности злемента, приходящаяся на 1 м^а площади остекления, составляет 2 м² для злемента из кирпича (тол- щиной 200 мм) или бетона (толщиной 150 мм), а емкости с водой должньї иметь обьем не менее 0,3 м³ на 1 м² остекления.

Суммарная теплоемкость (Вт-ч/°С) теплоаккумулирующих зле­ментов помещения составляет

^■ак ~ ^ост Сі,

где Лосі — площадь остекления (солнцеулавливающей прозрачнойизоляции), м²; Сі — теплоемкость теплоаккумулирующего злемента, отнесенная кім² площади остекления, Вт-ч/(м²-°С).

Требуемий обьем теплоаккумулирующих злементов У_ак = С_ав/С', где С' — удельная обьемная теплоемкость теплоаккумулирующего материала, Вт-ч/(м³-°С).

Прим ер 6. Определить требуемьій обьем теплоаккумулирую­щих бетонних злементов для помещения площадью 100 м², имеюще- го южньїє окна суммарной площадью 25 м², при минимально допусти- мой удельной теплоемкости 200 Вт-ч/(м²-°С).

Общая теплоемкость теплоаккумулирующих злементов Сан= =Л_остСі=25-200 = 5-10³ Вт-ч/°С.

Требуемнй минимальньїй обьем теплоаккумулирующих злемеи- тов нз бетона Уак=С_ак/С_б =5-10³/522 = 9,6 м³.

Распределение зтого обьема теплоаккумулирующего материала может бить внполнено, если на основе плана и разреза помещения по азимуту и углу внсотьі Солнца определить площади пола и сте- ньї, освещаемне Солнцем в течение не менее 4 ч в день в зимний период. При заданной толщине теплоаккумулирующих злементов и вьібранном материале можно определить площади поверхностей освещаемих и не освещаемьіх теплоаккумулирующих злементов.

П р и м е р 7. По данннм предидущего примера виполнить рас­пределение массм теплоаккумулирующих бетонних злементов стен, пола и отдельно стоящих колони. Принять, что масса распределяетея между указанньїми злементами в соотношении 3:2: 1. Суммарньш обьем теплоаккумулирующих бетонних злементов составляет 9,6 м³, а обьем теплоаккумулирующих стен, пола и колони равен соответст-' венно 4,8; 3,2 и 1,6 м³.

Как правило, в доме с пасеивньїм солнечньїм отоплением одно- временно используется несколько тялов систем, например пристроен- ная к южному фасаду здания гелиотеплица (оранжерея, зимний сад), южная остекленная теплоаккумулирующая стена и солнцеулавлива- ющие окна южной ориентации.

14. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АКТИВНИХ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Общие рекомендации по проектированию гелиосистем.

Солнечнне установки отопления и горячего водоснабже- ния зданий входят в состав комбинированннх гелиотоп- ливннх систем теплоснабжения и обеспечивают частич- ное покрьітие годовой тепловой нагрузки. Как правило, мощность резервного (дополнительного) источника теп- лотьі — котельной — вьібирается такой, чтобьі могла бьіть покрита вся расчетная тепловая нагрузка отопле­ния, так как в зимние месяцьі гелиоустановка имеет низкую производительность. Применение гелиоустановок обеспечивает зкономию топлива и снижает загрязнение окружающей средьі топливосжигающими установками. Гелиосистемн теплоснабжения рекомендуется применять в основном в южньїх районах РСФСР, Украиньї и Казах- стана, в Закавказье, Молдавии и Средней Азии для се­зонних потребителей, при вьісокой стоимости топлива, при среднегодовом количестве поступающей солнечной радиации не менее 1000 кВт-ч/м², при повьішенннх тре- бованиях к чистоте окружающей средьі, например в ку­рортних зонах.

Гелиотопливная система теплоснабжения включает в себя следующее основное оборудование: коллектор сол­нечной знергии, аккумулятор теплоти, теплообменники, насоси или вентилятори, дополнительньїй (резервний) источник теплоти (топливний или злектрический) и уст- ройства для управлення работой системи.

Вследствие нестабильности поступлення солнечной знергии системи солнечного отопления должньї работать с дублером — резервним источником теплоти (котельная, теплосеть и т. п.), обеспечивающим 100 % тепловой на­грузки. В то же время солнечние водонагревательние установки сезонного действия могут бить запроектирова- ни без дублера, если не пред'ьявляются жесткие требова- ния по бесперебойному снабжению горячей водой, напри­мер в летних душевих, пансионатах, пионерских лагерях и т. п.

Для систем солнечного Отопления приближенний тепловой расчет можно вьіполнять для одного месяца пе- реходного периода, например для апреля в средней по- лосе или марта в южних районах.

При проектировании систем теплоснабжения с исполь- зованием солнечной знергии необходимо исходить из то­го, что зкономически целесообразно покривать за счет солнечной знергии ЛИШЬ определенную ДОЛЮ /год годовой

и /лГОД

тепловой нагрузки Q_H , а остальную ее часть, а именно (1—/год) Qh°^a , должен обеспечивать резервний (дополни- тельний) источник знергии. Величина /_год зависит от ха­рактеристик гелиосистеми и климатических данннх, а также от стоимости системи и топлива, но обьічно она не превишает 0,5, а для сезонних установок может дости­гать 0,75 и более (за сезон).

Месячная доля солнечной знергии в покрнтии тепло­вой нагрузки теплоснабжения или степень замещения топлива определяется как

/ = Q“/Q“ = (Q“ - Ql)/Q: = і - QyQ"_H,

где Q“ — месячная величина тепловой нагрузки; Q« и Q* — месячние количества теплоти, обеспечнваемне солнечной установкой и дополнительннм источником знергии.

Годовая доля солнечной знергии (степень замещения топлива) в покрнтии нагрузки имеет вид

U -

і і

Зкономия топлива (кг) за расчетннй период В = = Рс/(<2тПтг), где Q_T — теплота сгорания топлива, МДж/кг; г|_ТР—КПД теплогенератора, равньїй 0,45—0,6 для индивидуальннх установок и 0,6—0,8 для котлов на твердом, жидком и газообразном топливе.

Исходньїе данньїе для расчета гелиосистемн включа- ют характеристики географического положення местно- сти — широту <р, долготу І и висоту Н местности над уров- нем моря, климатические данньїе — среднемесячное днев- ное количество суммарной Е и рассеяной (диффузной) Е_р солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, и температуру наружного воздуха Т_в, при- нимаемьіе по «Справочнику по климату СССР».

Кроме того, по данньїм испнтаНий или по данньїм за- вода — изготовителя коллектора солнечной знергии при- нимаются его характеристики — зффективний оптиче- ский КПД т]₀ и козффициент теплових потерь Кк, а так­же геометрические размерн одного модуля коллектора, число слоев остекления, вид теплоносителя. Для расчета гелиосистемн также необходимо знать среднемесячньїе суточньїе значення тепловой нагрузки отопления или иметь даннне для их расчета, знать температури холод- ной Т_х.в и горячей 7Y-B водьі и суточное потребление го­рячей водн.

При проектировании систем солнечного теплоснабже­ния расход теплоносителя и обьем аккумулятора теп­лотн внбирают в зависимости от вида теплоносителя в контуре солнечного коллектора (жидкость или воздух) и типа теплового аккумулятора (водяного в жидкостннх системах и галечного в воздушньїх системах).

А

Так, удельннй расход (м³/с) теплоносителя в КСЗ на 1 м² площади поверхности КСЗ для жидкостннх сис­тем равен 0,01—0,02, для воздушннх систем 0,005—0,02, а удельньїй обг.ем (м³/м²) аккумулятора теплотн равен соответственно 0,05—0,15 и 0,15—0,35. Удельная площадь поверхности солнечного коллектора в зависимости от на-

значення системи принимается ориентировочно равной: для систем отопления отапливаемого помещения 0,33— 0,5м²/м²; для систем горячего водоснабжения 1— 2 м²/чел; для подогрева водьі для открьітого плаватель- ного бассейна 0,5—1 м²/м². Оптимальний угол наклона солнечного коллектора р₀пт к горизонту принимается равньїм: для систем отопления — широте <р+15°; для си­стем горячего водоснабжения круглогодичного дейст- вия — широте ф, сезонного действия — широте ф—15°.

Зкономия топлива, которая может бьіть достигнута в результате зксплуатации солнечной системи теплоснаб­жения, ориентировочно составляет 0,1—0,2 т условного топлива на їм² площади поверхности солнечного кол­лектора.

В галечном аккумуляторе теплоти рекомендуется ис­пользовать слой частиц вьісотой (длиной в направлений движения теплоносителя) 1—3 м, диаметр частиц гальки 20—40 мм, азродинамическое сопротивление аккумулято­ра 25—75 Па, а воздуховодов 0,05—1 Па на їм длинн. Козффициент теплопотерь трубопроводов и воздуховодов не должен превншать 0,5 Вт/(м²-°С) , а аккумулятора теплоти 0,25—0,5 Вт/(м²**С).

Ниже приведена ориевтировочние значення отноше- ния площади А поверхности плоского КСЗ к площади Лпол пола отапливаемнх йомещений здания в зависимо- сти от средней температури наружного воздуха Т_в в зим­ние месяцьі (декабрь—январь):

f °q 10 4 0 2 7

ЛМполі маДй . . . 0,5— 0,45— 0,4^0,5 0,32— 0,18—

0,65 0,55 0,48 0,35

При применении КСЗ большой площади в летний пе­риод возникает значительньїй избьіток неиспользуемой солнечной знергии, а зто крайнє нежелательно. Позтому лучше принять площадь КСЗ по нижнему пределу, а за- тем уточнить ее значение расчетом.

Теплопроизводительность солнечной установки. Ви- полнение точного теплового расчета солнечной системи теплоснабжения практически представляет большие труд­носте из-за необходимости учета влияния случайннх ко- лебаний климатических параметров и сложного характе- ра взаимодействия между елементами системи. Позтому обьтчно используются упрощенние методи, которие осно- ванн на обобщении результатов подробного моделирова' ния гелиосисїем с применением ЗВМ и дают возможность получить долгосрочньїе характеристики проектируемой системи.

Упрощенньїй метод теплового расчета солнечной уста­новки отопления и горячего водоснабжения здания позво- ляет определить ее основньїе параметри — площадь поверхности коллектора солнечной знергии А и обьем ак­кумулятора теплоти V, а также найти характеристики знергетической зффективности—головую долю солнечной знергии в покрьітии тепловой нагрузки теплоснабжения и расчетную годовую зкономию топлива.

Тепловая мощность (Вт) плоского коллектора солнеч­ной знергии (КСЗ)

Q* - А [/_кя;- Кі (Т_т1 - Т_в)} - Go_p (Т_т2 - г_т1),

где А — площадь поверхности КСЗ, м²; /_к — плотность потока солнечной радиации, поступающей на поверхность коллектора, Вт/м²; г)' — зффективний оптический КПД коллектора; К_к — общий козффициент теплопотерь кол­лектора, Вт/(м²-К); Тті и Ті2 — температура теплоноси­теля на входе в КСЗ и на виходе из него, °С; Т_в — тем­пература наружного воздуха, °С; G — массовнй расход теплоносителя в КСЗ, кг/с; с_р — удельйая изобарная теп­лоемкость теплоносителя, Дж/(кг.°С).

Удельная среднемесячная дневная теплопроизводи­тельность коллектора солнечной знергии, МДж/м² в день:

% = К Х{\-аР + ЬР*),

где Ек — среднемесячное дневное количество солнечной знергии, поступающей на 1 м² площади поверхности КСЗ, МДж/м² в день.

Метод расчета величини Е_к описан в § 16. Козффи- циентн а и b приведень! в табл. 8 для основних типов КСЗ, используемих в солнечньїх установках теплоснаб­жения. Параметр Р— (Г_ті—Т_в)/К_я, где Кя=Е/Е₀ — среднемесячньїй козффициент ясности атмосфери, рав- ннй отношению среднемесячньїх количеств солнечной ра­диации, поступающих за день на горизонтальную поверхность на земле и за пределами земной атмосфери.

На теплопроизводительность коллектора солнечной знергии (КСЗ) в данньїх климатических условиях силь­но влияет температура теплоносителя Тті на входеТип КСЗ	%	<	0X10*	6ХЮв
НПК-1	0,78	8,0	10,7	29,3
НПК-2	0,73	4,6	6,9	12,7
СПК-1	0,75	5,5	7,9	16,4
СПК-2	0,7	3,5	5,6	8,7

Примечанне. НЇ1К — неселективньїй плоский коллектор: СПК — се- ЛеКТИВВЬІЙ ПЛОСКИЙ коллектор; 1—2 — ЧИСЛО СЛОЄВ остекления: Т)_о — зффектив-

вьій оптический КПД; К' — зффективвнй козффициент теплопотерь КСЗ, Вт/(м»-*С).

в КСЗ. Так, при год обом суммарном поступлении сол­нечной знергии на плоскость КСЗ 4060 МДж/м² (в том числе 1880 МДж/м² диффузного солнечного излученйя) на широте 47° с. ш. годовая теплопроизводительность <7к^од КСЗ с т|₀ =0,73 и Кк =4,5 Вт/(м²-К) и углом на­клона 3=50° изменяется в за^исимости от температури теплоносителя на входе в КСЗ Тп следующим образом:

°С . 10 20 ЗО 40 50 Щ

<°^я, МДж/м? . 2750 2320 1970 1650 1380 1150

Теплопроизводительность солнечной установки, т. е. то количество полезной теплоти, которая поступает к по­требителю за определенннй период времени (час, день, месяц, год), меньше теплопроизводительности солнечного коллектора на величину теплових потерь в трубопро­водах, соединяющих коллектор с тепловим аккумулято- ром, в нем самом, в теплообменниках в контуре коллек­тора и теплового потребителя. Зти теплопотери опреде­ляются тремя величинами—козффициентом теплопотерь (теплопередачи от теплоносителя к окружающей

среде) и площадью поверхности трубопроводов, тепло­вого аккумулятора и т. п., а также разностью температур теплоносителя и окружающей средьі (как правило, на­ружного воздуха). На козффициент теплопотерь сильное влияние оказивают толщина и козффициент теплопро- водности теплоизоляции. Позтому для снижения тепло­потерь все нагретне поверхности должнн бнть тщатель- но теплоизолированн.

В частности, теплопотери трубопроводов рассчитьіва- ются по формуле

QZr = K^Por^Ar_P{^T,-^To,)<

где /Спот —козффициент теплопотерь трубопровода, Вт/ (м²-°С); Л_тр — площадь поверхности трубопровода, м²; Т* и Т₀.с — температура теплоносителя и окружаю- щей средн соответственно, °С.

Солнечнне водонагревательньїе установки за год да- ют 250—350 кВт-ч/м² полезной знергии в умеренном кли- мате и 600—700 кВт-ч/м² в жарком климате.

Приближенньїй расчет систем солнечного теплоснаб­жения. Для предварительного расчета систем теплоснаб­жения с использованием солнечной знергии можно реко- мендовать графический метод зависимости степени за- мещения (доли солнечной знергии в покрьггии тепловой нагрузки) j от безразмерного параметра

0 = Е_к A/Q_a.

Величини Е_к (поступление солнечной знергии на по­верхность КС9) и Q_H (тепловая нагрузка) относятся к расчетному периоду: для систем горячего водоснабже- ния круглогодичного или сезонного действия — 1 год или летний сезон, а для систем отопления — каждьій месяц отопительного периода. Зависимости / от 0 представленьї на рис. 69, а я б для систем солнечного отопления и го­рячего водоснабжения. При построении зависимостей принятьі следующие допущення: 1) в качестве базового варианта принят плоский КСЗ с двухслойньїм остекле­нием rjо ==0,73 и Кк =4,6 Вт/(м²-К), a KJvio ~ =6,3 Вт/(м²-К) с оптимальним углом наклона КСЗ р к горизонту и южной ориентацией; 2) удельньїй обьем водяного аккумулятора теплоти равен 0,05 м³/м². В слу- чае применения КСЗ, имеющих другое значение отноше- ния Кк/Цо, необходимо внести соответствующие поправ­ки в результат расчета.

Рекомендуется принимать следующие ориентировоч- ние значення козффициента пересчета количества сол­нечной знергии с горизонтальной плоскости на поверх­ность КСЗ с оптимальним углом наклона 0 к горизонту: Я = 1,4 для гелиосистем отопления (р=<р+15⁰); # = 1,05 ДЛЯ сезонних систем горячего водоснабжения (Р = ф— —15°) И jR=1,1 для систем круглогодичного действия (р=ф).

Для гелиосистем отопления пользоваться графиком на рис. 69, б следует только на месячной основе. С по­мощью зтих зависимостей можно определить годовое

Рис. 69. График для приближенного расчета активних систем горя­чего водоснабжения (а) и отопления (б)

значение /год при з^данной площади поверхности КСЗ А, или наоборот — площадь поверхности КСЗ А, обеспечи- вающую заданное значение /_год.

Последовательность решения первой задачи: для рас- четного периода (год, сезон, месяц) определяются зна­чення Q_H и Е_к, рассчитьівается параметр 0 и графически определяется f. Затем рассчитьіваются годовьіе (месяч- ньіе) количества знергии, даваемой солнечной установ- кой й дополиительньїм источником знергии:

Qc = fQa, Qn = (1 — /) Qh- Обратная задача — определение площади поверхно­сти КСЗ, требуемой для обеспечения заданной доли /, — также может бьіть решена с помощью зтого весьма при- ближенного метода:

А — QQJE_K.

П р и м е р 8. Рассчитать солнечную водонагревательную уста­новку круглогодичного действия в г. Кишиневе (ер=47° с. ш.). Суточ- ное потребление горячей води 1^/_г._в=5 м³/день, температура горячей води 45 °С, а холодной 15 °С. Годовая доля солнечной знергии в по- крьітии тепловой нагрузки f— 0,5. Найти площадь поверхности КСЗ А, обьем аккумулятора V и годовую зкономию топлива В при г)тг=0,б. Годовая тепловая нагрузка

Qr=^BPC_p('r.B-W =

= 365.5-108.4,19(45 —10) = 268 ГДж,

По табл. ПІ находим годовой приход солнечной знергии на го­ризонтальную поверхность: £=4,72 ГДж/м². Козффициент пересчета солнечной радиации /?= 1,1, и, следовательно, годовой поток солнеч­ной знергии на плоскость КСЗ E_H=RE=5,2 ГДж/м². По рис. 69, а находим 0=0,843.

Площадь поверхности КСЗ/4 = 0,843.268: 5,2=43,5 м^!. Обьем водяного аккумулятора теплотн У=0,07А=3,05 м³. Годовая зконо- мия топлива с теплотой сгорания Q_T=29,33 МДж/кг

В ~ fQn/iQ? %г) = 0,5-268 000: (29,33-0,6) = 7615 кг.

Номограмма для определения площади поверхности солнечного коллектора А и обьем а бака-аккумулятора V установки горячего водоснабжения показана на рис. 70. Исходннми дашшми для рас­чета служат: число жителей N, норма суточного расхода горячей водн а (л/чел), степень замещения тепловой нагрузки горячего водо­снабжения / (среднегбдовое значение— от 0,3 до 0,7 и сезонное — 1 для установок, зксплуатируемих с апреля по сентябрь или с мая по август включительно) и годовое количество поступающей солнечной знергии Е (кВт-ч/м⁵). В'установке используется стандартний сол­нечньїй коллектор с двухслойним остеклением, имеющий оптималь­ний угол наклона к горизонту (на 10° меньше широти местности) и южную ориентацию. По номограі^е в соответствии со стрелками определяются площадь коллектора А и обьем бака-аккумулятора горячей води V.

П р и м е р 9. Определить площадь поверхности солнечного кол­лектора и обьем бака-аккумулятора для солнечной водонагреватель- ной установки для семьи из 5 чел. в районе с годовнм приходом сол­нечной знергии £=1370 кВт-ч/м². Степень замещения /=1 за пери­од май — август, а норма расхода горячей води на 1 чел. 75 л/день.

По номограмме получаем площадь поверхности коллектора Л = =7,2 м⁵ и обьем бака-аккумулятора V= 510 л.

І — 1610; 2 — 1490; З - 1370; 4 — J230; S — 1156; і — 1030 ; 7 — 920

Риє. 70. Номогрзмма для расчета солнечннх водона- гревательиих установок. Го­довое постувлевие солнеч­ной знергии на горизонталь­ную поверхность (кВт-ч/м²):

Зковоммческую оцевку (руб/ГДж) целессюбразности применения системи солнечного теплоснабжения можно дать вутем сравнения стоимости 1 ГДж тепловой знергии, отвущенной солнечной Се и топ- ливной С_т системами теплоснабжения, Должно виповняться условне Сс<С_т, и С_с определяетея по формуле

• C_c = (£_HK_c+Cj/C«,

где Ке — капитзльяне затрати на систему солнечного теплоснабже- Вия, руб.; С_в — годовне зксплуатациовнме затрата (злектрознергии, ремонт и обслуживание, зарплата), руб/год; —годовая тепло­вая нагрузка, ГДж; —козффициент зффективности капитальних вложений. Кавитальнме затрати (руб.) на гелносистему теплоснаб­жения

Кс — (С_к Ч~ Соб) A -f- С_ак V,

где С_к—удельная стоимость коллектора солнечной знергии, руб/м²; Сак—удельная стоимость аккумулятора теплоти, руб/м³; V—обь- ем аккумулятора теплоти, м³; Сов — стоимость вспомогательного оборудования, трубопроводов, регулирующей арматури, системи КИП и А и т. п., отнесенная к 1 м* площади КСЗ, руб/м⁸; А — пло­щадь поверхности КСЗ, м².

Орнентировочная сметная стоимость строительства гелиосистемн Кс=К,цА, где *„-150+260 руб. на 1 м² площади поверхности КСЗ.

Годовой акономический зффект от использования солнечной знергии

Згод = <%°^Ас_т/\г, руб/год»

где Сі — стоимость 1 ГДж тепловой знергии от традиционного не­точний теплоснабжеиня, руб.

Срок окупаемости гелиоустановкя определяетея отношением капиталовложеяий к годовому зкономическому зффекту: т_ок=

^=Хс/*^род-

Следует иметь в виду, что наряду с зкономией топлива при ис- пользовании солнечной знергии важное значение имеют также такие аспекти, как уменьшение загрязнения окружающей средьі, сохране- ние топливньїх ресурсов, улучшение социальньгх условий.

Расчет галечного аккумулятора теплотн. В системах солнечного отопления с воздушньїм коллектором исполь- зуетея галечньїй аккумулятор теплотьі. Он также исполь- зуетея в пассивньїх системах отопления здания с при- строенной к южному фасаду гелиотеплицей (зимним са­дом, оранжереей). Рассмотрим метод расчета галечного аккумулятора- теплоти для второго случая и заметим, что зтот метод расчета одинаков для обеих систем. В слу* чає пассивной системи с гелиотеплицей основное коли­чество уловленной солнечной знергии аккумулируетея в самой теплице, и не более Vs всей получаемой за день полезной солнечной знергии должно аккумулироваться в галечном аккумуляторе теплоти. При большем коли- честве аккумулируемой теплоти требуется увеличение расхода воздуха, а зто может привести к нежелательньш колебаниям температури в гелиотеплице.

Об-ьем галечного аккумулятора теплоти равен произ- ведению площади поперечного сечения, /ак аккумулятора на его длину І в. направлений движения потока воздуха: VnK—faJ- Скорость воздуха (м/с), отнесенная к полно- му сечению аккумулятора, опредбляетея по формуле

W = m/(pte,

где т — массовий расход воздуха, кг/с; р — плотность воздуха при температуре на входе в аккумулятор, кг/м*; f_aK — площадь поперечного сечения аккумулятора, м².

Обьемная теплоемкость, Дж/(м³.°С), галечного ак­кумулятора равна

С_ак = С_т р_т (1 8),

где с_Т — удельная теплоемкость твердих частиц (галь­ки), Дж/(кг-°С); р_т — плотность твердих частиц, кг/м³; б — порозность слоя частиц.

На рис. 71 показана зависимость менаду основними характеристиками галечного аккумулятора: диаметром частиц d (мм), скоростью потока воздуха W (м/с),

удельннм гидравлическим сопротивлением Лр/l (кПа/м) и длиной (вьісотой) аккумулятора І' (м), которая тре­буется для использования 95 % начальной разности тем­ператур при теплообмене между воздухом и частицами. Обьічно достаточно висоти слоя в 500 мм для осуїдест- вления зтого теплообмена при диаметре частид не более 50 мм.

Важннми характеристиками являются разность тем­ператур воздуха АТ_в на входе и вьіходе аккумулятора

Рис. 71. Номограмма для расчета галечного аккумулятора теплоти

Т 500 пф_ш

100

50

20

10

5

2

1

0,5

0,2

и изменение температури твердих частиц (гальки) при подводе и отводе теплоти АГ_Т, которое принимается рав- ним 0,5 АГ,. Обично ДГ_в=7-і-10 °С, и тогда АГт=3,5~ ~-5°С.

Процедура расчета галечного аккумулятора теплоти включает следующие стадии:

1. определение количества полезной солнечной знер­гии (Вт-ч/день), уловленной примьїкающей к дому'ге­лиотеплицей за день, как сумми соответствующих вели­чин для каждого часа дня; Q_noJI= Qtl

і=в

внполнение предварительного расчета аккумуля­тора. Принимается определенная доля полезной знергии, которая может бить аккумулирована за день: Кі =0,25-*

-

4. 0,35. Тогда количество знергии (Вт-ч/день), аккуму- лируемой за день, равно <2ак=-Кі<2пол. Среднюю мощ­ность теплового потока (Вт) при зарядке аккумулятора можно определить по формуле

Qaap ~ QaK^i

где п — число часов, в течение которнх теплота посту­пает в аккумулятор, ч.

. .Величину п можно определить на основании часових значений плотности потока солнечной радиации. Зто бу­дет то число часов, в течение которнх плотность потока поступающей солнечной радиации отличается от макси­мального за день значення не более чем на 25 %.

Обтземннй расход воздуха (м³/с), поступающего в аккумулятор теплоти, равен

У* ■= С_зар/(3600ДГ_ВС_В),

где С_в—удельная об-ьемная теплоемкость воздуха, Вт-ч/(м³-°С). Требуемий обьем аккумулятора тепло­ти, м³:

V_aK-Q_aK/C₂/(C_aKAT_T),

где К.2 — козффициент, учитьшающий число дней, на ко- торьіе запасается знергия в аккумуляторе. Обнчно = 1,5-^-2,5;

3. определение висоти (длини) І и площади попе­речного сечения /_ак аккумулятора. По величине Fan на­ходим значення І и /_ак, исходя из условия, что он должен поместиться в предназначенном для него пространстве. Затем определяем скорость потока воздуха и вибираєм диаметр твердих частиц (гальки), а также ориентиро­вочно принимаем допустимое гидравлическое сопротив- ление аккумулятора. По графику на рис. 71 определяем удельнне потери давлення в слое Ар/I и затем рассчитн- ваем общее сопротивление, кПа:

ДРсл ='-—*•

По зтому графику также определяем то значение висоти (длиньї) слоя І', которое требуется для зффективного осуществления теплообмена в слое, т. е. для использова­ния 95 % исходной разности температур воздуха и час­тиц, Если принятое ранее значение І меньше, чем І', то необходимо повторить расчет с новим значением І. Рас- считьшаем потери давлення в подводящем Др„ и отводя- щем Дрот воздуховодах и определяем сопротивление ак- кумуяятора теплотн в целом: Др_ак—ДРсл+Д^я+АРо*- Местньїе сопротивления можно учесть с помощью зкви- валентной длини: /₃=4,5дпов, где п_пов — число поворо- тов воздуховода.

Приведенная длина воздуховода l_ap=l+h.

Площадь солнечного коллектора для плавательного бассейна. Площадь коллектора (м²) солнечной знергии для подогрева водьі в плавательном бассейне можно оп­ределить по формуле А=кАб, где &=0,4ч-0,6 д_ЛЯ закри­того бассейна, k— 0,6-т-1 для открьітого летнего бассей­на; А б — площадь поверхности водьі в бассейне.

При проектировании гелиосистем для подогрева водьі в плавательном бассейне могут бьіть использованн два типа коллекторов — Пластмассовьіе без остекления и теп­ловой изоляции и металлические с однослойннм остек­лением и тепловой изоляцией. Типичние значення козф- фнциентов теплопотерь лежат в пределах 20— 40 Вт/(м²'°С) для КСЗ первого типа и 6—10 Вт/(м²-°С) для КСЗ второго типа.

Козффициент поглощения солнечной знергии для пластмассового КСЗ равен 0,9—0,95, а зффективннй ко­зффициент поглощения для КСЗ с однослойннм остек­лением — 0,76—0,82. Пластмассовьіе КСЗ практически не подвергаются коррозии, но они не вндерживают воз- действия ультрафиолетового излучения в течение дли- теяьного периода. Даже если их изготовляют из пласт- масс, стабилизированньїх по отношению к воздействию ультрафиолетового излучения, срок их служби не превн- шает 10 лет. Металлические коллекторн могут служить более длительннй срок (до 20 лет) при условии приня- тия мер по их противокоррозийной защите, в первую очередь путем правильного вьібора материалов и поддер- жания pH теплоносителя в соответствующих пределах.

Площадь поверхности солнечного коллектора, необ- ходимая для подогрева водьі в открьітом плавательном бассейне в летний период, в зависимости от типа коллек­тора ориентировочно может бнть принята равной 50— 100 % площади водной поверхности бассейна. Более точно площадь поверхности КСЗ можно определить ис- ходя из теплопотребления бассейна Q₆, КПД КСЗ т]_к, количества поступающей солнечной знергии Е_к и доли v солнечной знергии f в покрьітии тепловой нагрузки: А — = С?б//(їік£кЛО> ^гД^е Q« — тепловая нагрузка за расчет- ннй период, определяемая тепловими потерями бассей­на, МДж; f — средняя доля солнечной знергии в обеспе- чении тепловой нагрузки; т)„ — средний КПД КСЗ; £_к — плотность потока солнечной знергии на плоскость КСЗ, МДж/м² в день; N — число дней в расчетном периоде.

При применении прозрачного полимерного покрьітия тепловьіе потери плавательного бассейна за каждьій час использования покрьітия уменьшаются: на 80 % — поте-

Рис. 72. Номограмма для расчета солнечной установки для плава- тельиого бассейна с покрнтием (А) и без покрьітня (Б)', годовое поступление солнечной знергии (кВт-ч/м^г в год):

1 — 1490; 2 — 1370; 3— 1230; 4 — 1150; 5— 1030; 5-920

ри вследствие испарения водн, на 40 % — конвективнне потери, а потери теплотн за счет излучения уменьшают­ся мало. Если же используются непрозрачнне покрнтия (пенопласт), то существенио уменьшаются все види теплопотерь бассейна.

На рис. 72 показана номограмма для определения площади поверхности солнечного коллектора для открн- того плавательного бассейна с применением теплоизоли- руювдего покрнтия (Л) и без него (Б) в районах с различ- ннм годовнм количеством солнечной знергии, поступаю­щей на горизонтальную поверхность.

Пример расчета. Для бассейна площадью 40 м² в районе с годовнм поступлением солнечной знергии 1230 кВт-ч/м² требуемая площадь поверхности коллек­тора равна 17,3 м² в случае применения покрнтия для теплоизоляции поверхности бассейна в те периодьі, когда им не пользуются (ночью, в пасмурную погоду), и 55м² в случае, когда покрьітие не применяется. В качестве солнечного коллектора используется плоский КСЗ с од­нослойньш остеклением, имеющий угол наклона к гори­зонту на 10° меньше широтьі местности, КСЗ ориентиро- ван на юг.

Глава шестая

ИЗГОТОВЛЕНИЕ, МОНТАЖ И ЗКСПЛУАТАЦИЯ СОЛНЕЧНЬЇХ УСТАНОВОК