Учебники 80362

91

использования солнечной радиации, то есть доля от общего количества солнечной энергии, поступающей на поверхность устройства при IК >IКP.

Годовая теплопроизводительность системы солнечного теплоснабжения QГОДC меньше годовой теплопроизводительности коллектора QГОДK на величи-

ну теплопотерь в трубопроводах, аккумуляторе теплоты и системе распределения теплоты, а также на величину неиспользованного избытка полезной энергии, которая тем больше, чем больше площадь установленных коллекторов и меньше доля нагрузки горячего водоснабжения.

Среднемесячная величина степени использования солнечной радиации зависит от оптического КПД и теплопотерь коллектора, а также от местоположения и назначения гелиосистемы. Эту зависимость можно представить в виде формулы [11]

Параметр Р, входящий в зависимость (6.13), определяется соотношением

где ТТ .Н и Т В - среднемесячные температуры теплоносителя на входе в коллектор и наружного воздуха, °С; К Я - среднемесячная величина коэффициента ясности атмосферы (см. табл. 6.2); а1 и а2 - коэффициенты для основных типов коллекторов, приведены в табл. 6.5.

Таблица 6.5

Основные характеристики коллекторов солнечной энергии

При большой площади поглощающих панелей отдельные их модули соединяются между собой по параллельно-последовательной схеме, образуя массив или поле коллекторов. Эффективность поля практически всегда ниже КПД отдельного модуля из-за теплопотерь соединительных трубо-

92

проводов, неравномерности распределения теплоносителя, тепловой инерции и т.п.

6.3.Выбор аккумуляторов теплоты

Применение аккумуляторов теплоты повышает надежность систем солнечного теплоснабжения сооружений, обеспечивает покрытие нагрузки ночью и при повышенной облачности, снижает расход топлива.

Системы аккумулирования теплоты работают на основе накопления явной или скрытой теплоты и характеризуются энергоемкостью, мощностью потоков подводимой и отводимой теплоты, продолжительностью цикла аккумулирования (краткосрочное - от 6-12 ч до 10 сут и долгосрочное - от 10 сут до нескольких месяцев), объемной плотностью энергии, диапазоном температур, коэффициентом теплопотерь, капитальными и эксплуатационными затратами. Эти устройства включают теплоаккумулирующий материал, резервуар или теплообменник и тепловую изоляцию. В жидкостных системах солнечного теплоснабжения для аккумулирования теплоты используются в основном баки с горячей водой, обладающей высокой теплоемкостью, а в системах с воздушным коллектором - резервуары с галькой и другими твердыми материалами.

Количество аккумулированной теплоты при отсутствии фазовых переходов равно:

CP - удельная изобарная теплоемкость теплоаккумулирующего вещества, кДж/(кг·°С).

При суточном аккумулировании теплоты удельный объем водяного ба- ка-аккумулятора принимается равным 0,05-0,15 м3, а галечного аккумулятора в случае воздушной системы солнечного теплоснабжения - 0,15-0,35 м3 на 1м2 площади поверхности коллектора.

Применение теплоаккумулирующих материалов фазового перехода (плавление-затвердевание) обеспечивает большую объемную плотность аккумулируемой энергии и позволяет уменьшить их массу и объем (табл. 6.6).

Количество теплоты, аккумулируемой при плавлении, определяется зави-

где СТ и СЖ —удельные теплоемкости твердого и жидкого теплоаккумулирующего материала, кДж/(кг·°С); скрытая теплота плавления теплоаккумулирующего материала, кДж/кг; ТПЛ - температура плавления, оС.

93

94

6.4.Общие положения расчета систем солнечного отопления и горячего водоснабжения

Точный тепловой расчет систем солнечного теплоснабжения зданий затрудняется из-за влияния случайных колебаний климатических условий и сложного характера взаимодействия между элементами системы. Поэтому в инженерной практике обычно используются полуэмпирические методы, которые основаны на обобщении результатов подробного моделирования тепловых процессов с помощью ПЭВМ и дают возможность получить долгосрочные характеристики гелиосистем.

Целью расчета таких систем является определение удельной суточной тепловой производительности системы qc ; площади FK лучепоглощающей поверхности абсорбера; объема теплового аккумулятора VAK ; удельного массового расхода теплоносителя в контуре улавливания солнечной энергии mK; ориентации (азимута аН) и угла наклона коллектора к горизонту; площади поверхностей нагрева теплообменников в контурах гелиосистемы и потребителя; годовой степени замещения топлива fгод и расхода дополни-

тельной энергии QД.Н.Э..

Исходные данные для расчета солнечного теплоснабжения зданий включают:

а) местоположение гелиосистемы - широту, долготу и высоту местности над уровнем моря;

б) климатические данные: среднемесячное дневное количество суммарной Е и диффузной ЕД солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, температуру наружного воздуха ТВ;

в) характеристики коллектора солнечной энергии 0 и КТ, геометрические

размеры его модуля, число слоев остекления, вид теплоносителя;

г) месячную тепловую нагрузку отопления Q0 или данные для ее расчета; д) среднемесячные значения температур холодной ТХ.В и горячей ТГ.В. во-

ды;

е) суточное общее потребление горячей воды VГ.В.

Всоответствии с п. 3.2 выбирают тип и схему гелиосистемы, а по п. 3.2 и

6.2- тип и характеристики устройства. Системы горячего водоснабжения, теплоноситель которых нагревается за счет солнечной радиации при его ес-

тественной циркуляции, следует применять при общей площади поглощающих панелей до 20 м2 для индивидуальных потребителей. В гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения с большей площадью коллекторов необходимо использовать принудительную циркуляцию теплоносителя.

При проектировании систем солнечного теплоснабжения вначале выбирают схемное решение и оборудование, а затем последовательно выполняют тепловой, гидравлический и технико-экономический расчеты с оптимизацией принятых разработок.

95

В отличие от традиционных систем теплоснабжения, при проектировании которых для подбора оборудования достаточно определить часовые расходы теплоты, при расчете альтернативных решений необходимо вычислять месячные расходы теплоты. Расход теплоты, кДж, на горячее водоснабжение в конкретном месяце равен:

ТХ.В. - температуры горячей и холодной воды, °С (значения ТХ.В. и nД изменяются по месяцам, а остальные величины постоянные); - суточный рас-

ход теплоты на горячее водоснабжение, кДж.

Месячный расход теплоты на отопление Qoi определяют путем умножения среднечасового расхода теплоты QOЧ на 24пД. Величина QOЧ определяется

по общепринятой методике вычисления нагрузки на систему отопления, однако в качестве расчетной температуры принимается среднемесячная температура наружного воздуха ТВ. Расчет Qoi ведется отдельно для каждого месяца отопительного периода.

Нагрузка на систему теплоснабжения, то есть расход теплоты, кДж/мес, на отопление и горячее водоснабжение для данного i-го месяца определяется суммированием

среднего дня каждого месяца рассчитывают количество солнечной энергии, поступающей на наклонную поверхность коллектора. Для этого определяют угол склонения солнца по формуле (6.4); часовые углы захода солнца для горизонтальной 3 и наклонной '3 поверхностей по формулам (6.5) и (6.6);

среднемесячные коэффициенты пересчета солнечной радиации RП и R по формулам (6.2), (6.3) и при использовании рис. 6.1, табл. 6.3; среднемесячное дневное количество солнечной энергии ЕК, поступающей на поверхность модуля, по формуле (6.1).

Вследствие нестабильности поступления солнечной энергии системы альтернативного отопления должны работать с дополнительным (резервным) источником энергии (котельная, теплосеть и т.п.), обеспечивающим при необходимости 100 % тепловой нагрузки. В то же время системы солнечного горячего водоснабжения сезонного действия могут быть запроектированы без дублера, если не предъявляются жесткие требования по беспере-

96

бойному обеспечению водой (летние душевые, пансионаты, пионерские лагеря и т. п.).

Для систем солнечного отопления тепловой расчет рекомендуется выполнять для апреля (для марта для южных районов при = 45° с. ш. и южнее). В этом месяце вся тепловая нагрузка должна обеспечиваться за счет солнечной энергии.

При проектировании гелиотопливных систем теплоснабжения необходимо исходить из того, что экономически целесообразно покрывать за счет солнечной энергии лишь определенную долю fгод годовой тепловой нагрузки QНГОД отопления и горячего водоснабжения, а остальную часть тепловой нагрузки должен обеспечивать дублирующий источник:

QДИЭ 1 f ГОД QНГОД . (6.20)

Годовая доля солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки или степень замещения топлива составляет

чиваемой солнечной радиацией и дополнительным источником энергии, ГДж/месяц.

Для расчета по формуле (6.12) среднемесячной суточной удельной теплопроизводительности коллектора qк по табл. 6.4 и 6.5 выбираем его характеристики и коэффициенты а1 и а2; определяем параметр Р по формуле (6.14) и величину по формуле (6.13).

Удельный объемный расход теплоносителя Vк для жидкостных гелиосистем следует принимать равным Vк=0,01-0,02 л/(м2·с), для воздушных - 0,005-0,02 м3/(м2·с).

Удельный объем водяного аккумулятора теплоты VAK=0,05—0,1 м3, галечного - VAK=0,15—0,35 м3 на 1 м2 площади поверхности коллектора.

Годовая (сезонная) теплопроизводительность системы QCГОД и степень замещения fCГОД для систем солнечного горячего водоснабжения меньше QКГОД и QКГОД и f ГОД на 25-35 %, а для теплоснабжения - на 30-50 % из-за те-

плопотерь в применяемых устройствах и неиспользуемого избытка полезной теплоты.

Годовая экономия топлива, т условного топлива, обеспечиваемая ис-

ния, ГДж/год; QТ=29,3 кДж/т у. т. - теплота сгорания топлива, отнесенная к 1 т

97

условного топлива; ТГ - КПД теплогенерирующей установки, равный 0,45 и 0,6 для индивидуальных теплогенераторов на твердом и жидком (газообразном) топливе, 0,6-0,7 и 0,7-0,8 - для котельных производительностью 20-100 ГДж/ч и более на твердом и жидком (газообразном) топливе.

Годовая экономия, р., составляет

где СТ - стоимость тепловой энергии от топливной теплогенерирующей установки, р./ГДж.

Для предварительного расчета систем солнечного теплоснабжения реко-

ту и южную ориентацию; б) удельный объем водяного аккумулятора теплоты равен 0,05 м3/м2 площади абсорбера. При применении устройств, имеющих другие значения отношения КТ/ 0 , необходимо внести соответст-

вующую поправку в расчет.

а б

Рис. 6.4. Обобщенные зависимости f от для гелиосистем горячего водоснабжения (а), отопления и горячего

водоснабжения (б)

Величины потока солнечной энергии на поглощающую поверхность Ек и тепловой нагрузки QH следует определять для расчетного периода: для горячего водоснабжения круглогодичного или сезонного действия - 1 год или летний сезон, а для систем отопления - каждый месяц отопительного сезона.

Можно принимать следующие ориентировочные значения коэффициента пересчета R солнечной энергии с оптимальным углом наклона коллектора к

98

горизонту: R = 1,4 для гелиосистем отопления (при опт= +15°); R =1,05 для сезонного горячего водоснабжения (при R = 1,1 для альтернативного теплоснабжения круглогодичного действия (при опт= ).

Для гелиосистем отопления и горячего водоснабжения пользоваться зависимостью f от следует только на месячной основе.

С помощью зависимостей f от можно решать две задачи: а) определение годовой величины fгод при заданной площади поверхности коллектора Fк; б) определение площади Fк, обеспечивающей заданное значение fгод.

Последовательность решения первой задачи: для расчетного периода (год, сезон, месяц) определяют QН и ЕK; вычисляют параметр ; по рис. 6.4 находят fгод; рассчитывают из зависимостей (6.20, 6.22) годовые (месячные) количества полезной энергии системы солнечного теплоснабжения QС и энер-

Величину Fк, м2, можно также рассчитать по выражению

FK QH qC . (6.26)

Тепловая нагрузка QН и удельная теплопроизводительность qC системы сильно изменяются в течение года, поэтому формула (6.25) дает лишь ориентировочные значения Fк.

6.4.1.Расчет сезонных систем горячего водоснабжения

1.Площадь поверхности коллектора для сезонной системы солнечного горячего водоснабжения, работающей с апреля по сентябрь, можно упрощенно определить по зависимости

где VГ.В - средний суточный расход горячей воды, л/день; qГ.В. - среднесезонная суточная удельная производительность системы по горячей воде, л/(м2·день); Т =0,8 0,85 - коэффициент, учитывающий теплопотери трубопроводов и принимаемый равным Т =0,8 0,85.

1.Величину qГ.В. следует определять в зависимости от суточного поступления солнечной энергии Е на горизонтальную поверхность по рис. 6.5.

99

Рис. 6.5. Зависимость удельной суточной производительности

Если в системе не предусмотрен резервный источник теплоты, то расчет ведется по величине Е для апреля, но при этом в летние месяцы будет возникать неиспользуемый избыток теплоты. Если же резервный источник теплоснабжения предусмотрен, то расчет выполняется для июня, тогда в остальной период года система обеспечит долю fср нагрузки, а резервный источник даст (1—fср)QГ.В теплоты.

6.4.2.Уточнение теплового расчета с учетом действительных характеристик систем солнечного теплоснабжения

Для систем круглогодичного действия предварительный расчет следует выполнять с помощью зависимостей f от , приведенных на рис. 6.4. Основное влияние на величину FK оказывают характеристики коллектора, объем аккумулятора теплоты и метеоусловия. При разработке метода расчета принят неселективный плоский коллектор с двухслойным остеклением, для которого КТ/ 0 =6,3 Вт/(м2·оС).

При применении устройств с другим значением КТ/ 0 расчетную величину FK необходимо разделить на поправочный коэффициент К , который можно определить по рис. 6.6, а. Влияние удельного объема аккумулятора тепла (для базового варианта принят VАКБАЗ =0,05 м3/м2) на величину FK можно учесть с помощью поправочного коэффициента АК (рис. 6.6, б).

При значительном отклонении угла наклона коллектора от оптимального значения и азимута от аН=0 (южное направление) величину FK необходимо увеличить с учетом поправочных коэффициентов и а (значения

100

для = 50° с. ш. приведены на рис. 6.6, в, а значения коэффициента а - на рис. 6.6, г).

При выборе солнечных систем следует пользоваться табл. 6.7.

Расчет и выбор вспомогательного оборудования (теплообменников, насосов, вентиляторов, дублирующих источников энергии, расширительного бака, системы регулирования и т. п.) ведется по общепринятым методикам.

Подробный тепловой расчет ССТ может быть выполнен по методам f- и

Ф—f-кривой [16].