Долгосрочные характеристики системы солнечного теплоснабжения в условиях Республики Мордовия

УДК 621.472(470.345).

ДОЛГОСРОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ МОРДОВИЯ В. А. Агеев Наиболее доступным направлением использования солнечной энергии в настоящее время являются системы отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования зданий.

В России и за рубежом накоплен значительный опыт использования солнечной энергии в этих целях, разработано и построено большое количество «солнечных домов», оборудованных гелиосистемами. Ведущими странами в этой области являются США, Япония, Германия, Франция, Великобритания, Австралия.

Большинство существующих систем солнечного теплоснабжения сходны между собой (рис. 1).

Рис. 1 Схема жидкостной системы солнечного теплоснабжения

1 — солнечная радиация; 2 — предохранительный клапан; 3 — бак горячей воды; 4, 9 — источник дополнительной энергии; 5 — бак-аккумулятор; 6 — бак предварительного подогрева воды; 7 — здание; 8 — подача холодной воды.

Преобразование падающей солнечной радиации в тепловую энергию осуществляется в плоских солнечных коллекторах. Эта энергия аккумулируется в баке-аккумуляторе за счет теплоемкости жидкости и используется по мере необходимости для обеспечения тепловой нагрузки отопления и горячего водоснабжения.

Если коллекторы не дренируют ночью и в пасмурную погоду, то в качестве теплоносителя в контуре коллектора, как правило, используют раствор антифриза, чтобы избежать замерзания.

В этом случае коллектор и аккумулятор обычно разделяют промежуточным жидкостно-жидкостным теплообменником, что более выгодно, чем применение раствора антифриза в качестве аккумулирующей среды. Для передачи тепла от аккумулятора в здание используют водо-воздушный теплообменник, а от аккумулятора в систему горячего водоснабжения дома — дополнительный водо-водяной теплообменник.

Система горячего водоснабжения включает бак предварительного нагрева, в котором вода подогревается за счет солнечного тепла и подается затем в обычные водонагреватели.

В качестве дублирующего источника энергии используют обычный котел, который обеспечивает отопление в тех случаях, когда запас энергии в баке-аккумуляторе истощается. отопление солнечный теплоснабжение Следует различать мгновенные характеристики коллектора (т.е. характеристики, зависящие от метеорологических и рабочих условий в данный момент времени) и долгосрочные. На практике коллектор системы солнечного теплоснабжения работает в широком диапазоне условий в течение года. Поэтому проектировщика системы солнечного теплоснабжения больше интересуют долгосрочные характеристики.

Метод определения долгосрочных характеристик (-метод) изложен в работе [1]. Сущность указанного метода заключается в следующем.

Энергетический баланс системы солнечного теплоснабжения за месячный период времени можно представить в виде:

QTL+E=ДU, (1).

где.

Q_T — месячная теплопроизводительность солнечной установки, Дж/мес;

L — сумма месячных нагрузок отопления и горячего водоснабжения, Дж/мес;

Eобщее количество энергии, полученное в течение месяца от дублирующего источника, Дж/мес;

ДU — изменение количества энергии в аккумулирующей установке, Дж.

При размерах аккумуляторов, обычно применяемых в системах солнечного теплоснабжения, разность ДU мала по сравнению с Q_T, L и E и может быть принята равной нулю. Тогда уравнение (1) можно переписать в виде.

f=(L — E)/L = Q_T/L, (2).

где f — доля полной месячной тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии.

Непосредственно уравнение (2) нельзя использовать для расчета f, поскольку величина Q_T является сложной функцией падающего излучения, температуры окружающей среды и тепловых нагрузок.

Однако рассмотрение параметров, от которых зависит Q_T, позволяет предположить, что коэффициент замещения f эмпирически можно связать с двумя безразмерными комплексами:

(3).

(4).

Где: A — площадь коллектора, м2;

Fґ_R — коэффициент, учитывающий влияние теплообменника;

U_L — полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м²°С);

Дt — число секунд в месяце;

T_ref — базисная температура, принимается равной 100 °C;

T_a — температура окружающей среды, °С;

L — полная месячная тепловая загрузка, Дж;

H_T — среднемесячный дневной приход суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность, Дж/(м²· сут);

N — число дней в месяце.

фб — среднемесячная приведення поглощательная способность пластины коллектора по отношению к солнечному излучению;

Безразмерные комплексы X и Y имеют определенный физический смысл:

Y можно трактовать как отношение количества энергии, поглощаемой пластиной коллектора в течение месяца, к полной месячной тепловой нагрузке;

X — отношение месячных тепловых потерь коллектора при базисной температуре к полной месячной тепловой нагрузке.

Зависимость между X, Y и f аппроксимируется следующим уравнением:

f= 1,029Y — 0,065 X — 0,245 Y²+0,0018 X²+0,0215Y³ (5).

при 0.

С целью повышения эффективности расчетов была разработана программа для ЭВМ, позволяющая строить зависимости доли нагрузки теплоснабжения, обеспечиваемой за счет солнечной радиации, от площади солнечного коллектора.

При помощи указанной программы были построены долгосрочные характеристики системы солнечного теплоснабжения жилого дома объемом 80 м³ и количеством жителей 3 человека в климатических условиях г. Саранска [2].

Данные о месячном приходе суммарной солнечной радиации и среднемесячных температурах наружного воздуха представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Климатические данные для г. Саранск.

В качестве гелиоприемника в указанной системе приняты солнечные коллекторы производства ОАО «Ковровский механический завод» [3] со следующими характеристиками:

ь теплоноситель — вода или антифриз;

ь производительность — 70 л горячей воды (50−60°С) в день;

ь регистр — латунные трубы;

ь солнцеприемные пластины — металлический лист;

ь корпус — тонколистовая сталь; прозрачная изоляция — стекло 3 мм с минимальным содержанием железа;

ь габаритные размеры — 1000×1000×115 мм; масса — 27 кг.

Значения мгновенного коэффициента полезного действия солнечных коллекторов по результатам испытаний представлены на рисунке 2.

Мгновенный коэффициент полезного действия солнечных коллекторов.

Рис. 2 Доля месячной и годовой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, представлена соответственно на рисунках 3 и 4.

Рис. 3 Доля месячной нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии

Рис. 4 Доля годовой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии

На основании указанных графиков можно сделать вывод, что в климатических условиях г. Саранска системы солнечных коллекторов общей площадью 6 м² достаточно для полного покрытия в летний период нагрузки горячего водоснабжения жилого дома на 3 человека из расчета расхода горячей воды 100 л/(чел· сут).

Источники.

• 1. Бекман У.А.и др. Расчет систем солнечного теплоснабжения / У. Бекман, С. Клейн, Дж. Даффи: Сокр. пер. с англ. Г. А. Гухман, С. Н. Смирнова. — М.: Энергоиз-дат, 1982. — 79 с.
• 2. СНиП 23−01−99. Строительная климатология. — М. Изд-во стандартов, 1999.
• 3. http://www.mte.gov.ru/.