СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР СТ

Проектирование ССТ сопряжено с проведением комплекса сложных технико-экономических расчетов. Зависимость ССТ от внешних усло­вий обусловливает нестационарность режимов их работы, следствием чего является неопределенность их расчетных характеристик, исполь­зуемых при проектировании. Кроме того, сами исходные, предпроект - ные характеристики ССТ оказываются зависящими от их конкретного проектного решения (площади коллекторов, схемного решения, характера циркуляции теплоносителя и ряда других показателей). Таким образом, существует взаимообратная связь между закладывае­мыми и получаемыми при проектировании ССТ технико-экономичес­кими показателями их работы. В этих условиях успешное проектиро­вание ССТ может быть осуществлено лишь на основе имитационного подхода. В рамках такого подхода имитируют развитие ССТ при определенном сочетании внешних и внутренних факторов и фикси­руют некоторые интегральные показатели ее функционирования за определенный временный отрезок. Сравнение данных показателей, полученных в результате некоторого конечного набора имитаций позволяет выбрать вариант развития, соответствующий оптимум принятого критерия. Проведение каждой имитации сопряжено комплексом теплотехнических, гидравлических и экономически расчетов, определяющих в совокупности расчетные характеристик ССТ. Укрупненная блок-схема моделирующего алгоритма (рис. 11. Может быть представлена следующим образом.

Формирование проектного задания. На данном этапе осуществл ется ввод и преобразование исходных данных, определяющих ти

Объекта и его географические координаты; конфигурацию и ориента­цию площадки для размещения элементов ССТ; назначение ССТ.

В результате определяют функциональное назначение ССТ и цифро­вую модель площадки для размещения ее элементов.

Статистическое моделирование параметров внешней среды. Статис­тическое моделирование параметров внешней среды осуществляется на основе географических координат места расположения объекта. При этом для получения долгосрочных характеристик используются Распределительные модели типа [2]:

Ф [fl,. + b, t д - /0) + с,( / - У0)]е

Н?= +Ь[{ л - v+s^- *iz;

Hf-H^+Hg

. = /2 uij

H6 E

J=1

T-7

Н^Н^+йЧ

Где H^H^Hj-среднемесячные значения потоков прямой, рассеянной и полной солнеч­ной радиации иа горизонтальную поверхность для i-го месяца 0' = 1, 2, ..., 12); Н^, Н^, Н - то же, для среднегодовых значений; а,, Ь(, с( tC ^ а,> Ь^, с(- - эмпирические коэффи­циенты; tfi,,z - соответственно широта, долгота и отметка над уровнем моря объекта;

У0, Д — то же, для точки, принятой за начало для рассматриваемого региона.

Значения эмпирических коэффициентов, входящих в функции распределения интенсивности солнечной радиации для рассматривае­мого региона, определяют на основе статистической обработки данных многолетних наблюдений за интенсивностью солнечной радиации и продолжительностью солнечного сияния по всей совокупности распо­ложенных на территории региона актинометрических станций. Средне­срочные (среднесуточные) и краткосрочные (среднечасовые) характе­ристики потока солнечной радиации и их расчетные обеспеченности определяют по результатам обработки актинометрических наблюдений на отдельных станциях, отнесенных к зонам действия данных станций.

Перечисленные выше статистические характеристики потоков солнечной радиации наряду с аналогичными характеристиками темпе­ратуры окружающего воздуха и ветровых потоков составляют основу для моделирования параметров окружающей среды. Получение дан­ных характеристик должно предшествовать началу массового проекти­рования солнечного теплоснабжения в том или ином регионе. ППП САПР СТ использует данные характеристики в своей работе при тепло­технических расчетах.

Расчет тепловых нагрузок. Тепловые нагрузки рассчитывают на| основе действующих СНиПов и укрупненных показателей, приведен­ных [2].

Максимальные часовые нагрузки системы горячего водоснабжения (ГВС) определяют по формулам:

G*krB(Gj + G2 + G3);

Где Gj — часовая потребность в горячей воде иа бытовые нужды; G2 — то же, иа лечебные процедуры; Gg — то же, для плавательного бассейна; к^В ~ коэффициент совмещения нагрузок ГВС; кт = 1 ... 4 — степень комфортности объекта (для домов отдыха кт = 4); jtg = 0 — при отсутствии плавательного бассейна; kg = 1 — при наличии 25-метрового бассей­на; fcg = 2 — при наличии 50-метрового бассейна; Gp G2 ~ удельные расходы горячей воды в соответствующих процессах; — температура горячей воды, используемой в различных процессах (в расчетных принимают: TB = 50 °С, £„ = 35°С, tg = 28 °с);А? — число койко-мест; 0,03 — коэффициент, учитывающий часовую подпитку воды в бассейне.

Формирование "избыточной" матрицы компоновки элементов ССТ.

Одним из наиболее сложных этапов проектирования ССТ является выбор оптимальной схемы размещения ее элементов в пределах заданного участка. Как правило, плоские коллекторы ССТ размещают на крышах зданий и сооружений. Последние в общем случае могут

Иметь произвольную конфигурацию. Кроме того, не исключена возмож­ность присутствия на крышах зданий различных инженерных сооруже­ний, препятствующих свободному размещению коллекторов. Таким образом, в общем случае площадка, предназначенная для размещения элементов оборудования ССТ, может быть разбита на доступные и запретные зоны. Формирование подобных зон происходит на стадии подготовки проектного задания. Каждая доступная и запретная зона на данной стадии представляется в виде замкнутых многоугольников, стороны которых задаются системой линейных уравнений:

А) участок в целом

OjX + bjy » 0;

А2х + b2y С 0;

Где п - число сторои участка;

Б) для зон запрета

CUx + d11y 0; CL2X + D12Y0; Cljx + d13y = 0;

022-is

Cj^x + d^y-Oj

Cmlx + dmiy°-' cm2K + dm2y

Cm3* + ЈW = 0;

Cm4x + dm4y=,Q>

Где m — число запретных зон.

Из числа элементов ССТ, размещаемых в пределах выделенного участка, выделяют блоки солнечных коллекторов, ориентированные на юг и устанавливаемые под углом л к горизонту, бак-аккумулятор и трубопроводы обвязки блоков коллекторов и бака-аккумулятора.

Блоки солнечных коллекторов обычно состоят из Nj параллельных рядов пц последовательно соединенных плоских коллекторов. Парал­лельное соединение блоков образует батарею, а параллельное соедине­ние последних - секцию солнечных коллекторов (рис. 11.3).

Для определения возможного размещения блоков коллекторов в пределах выделенного участка, вычисляют размеры блоков в системе координат, где ось ОУ ориентирована на юг:

Ду = т1!)с(cos* + «г ), (П.8)

4x = nibJt,

Где S — угловая высота Солнца в расчетное время начала работы системы; /д, Ь^ — длина и ширина коллектора соответственно.

Второй член в формуле (10.8) определяет необходимое расстояние между батареями солнечных коллекторов, исключающее перекрытие плоскости коллекторов тенью смежного ряда.

Непосредственное размещение блоков коллекторов определяют в процессе трассирования выделенного участка. С этой целью исполь­зуют уравнение ;-й батареи коллекторов.

У,=Ута. х-' Л У,

Гдеутах - максимальное значение ординат вершии участка.

Из совместного решения уравнения (11.10) с каждым из уравнений систем (И.6) и (11.7) определяют координаты точек пересечения I-й

А)

Батареи со сторонами участка и зон запрета. Для каждого блока кол­лекторов I-й батареи находят его текущее положение в ней:

(11.11)

По координатам х^ х^ + дх и координатам точек пересечения с границами участка и зонам запрета определяют возможность размеще­ния данного блока коллекторов в доступной зоне.

Аналогичным образом выполняют трассировку для всех батарей, попадающих в пределы участка.

Формирование вариантов схемного решения ССТ. Формирование вариантов схемного решения ССТ осуществляют на основании данных о функциональном назначении системы солнечного теплоснабжения, "избыточной" матрицы размещения элементов ССТ на заданной пло­щадке, а также на основании предварительно определенной площади коллекторов. При этом под схемным решением ССТ понимается прост­ранственно-технологическая организация элементов ССТ как единого Функционального комплекса.

Формирование вариантов схемного решения ССТ выполняют на основе целенаправленного перебора элементов "избыточной" матрицы при заданной суммарной площади поля коллекторов. В свою очередь, начальное значение требуемой площади коллекторов определяют на основе предварительного расчета ССТ /-методом [1],исходя из долевого

Участия ССТ в покрытии годового графика тепловой нагрузки. Следует, однако, отметить, что в общем случае доля ССТ в покрытии годового графика тепловой нагрузки объекта может оказаться иско­мой оптимизируемой величиной. В этом случае цикл расчетов выпол­няют для различных значений суммарно*? площади коллекторов, обеспечивающих покрытие годовой тепловой нагрузки в диапазоне 10 ... 100 %. Оптимальное значение доли ССТ определяют по максимуму экономической эффективности ССТ.

Алгоритм формирования схемного решения ССТ предусматривает возможность задания и отработки конкретных вариантов, предлага­емых проектировщиком. В этом случае задается компоновка блока коллекторов, а на "избыточной" матрице отмечается принимаемая конфигурация ССТ путем задания номеров батарей, включаемых в схему.

Теплотехнический и гидравлический расчет ССТ. Теплотехнический и гидравлический расчет ССТ заданной конфигурации выполняют на основе расчетной схемы (рис. 11.4), которая включает гелиоприемник (ГЛ), т. е. систему плоских коллекторов, водяной теплообменник (ТО), Водяной бак-аккумулятор (БА), систему теплоизолированных тепло­проводов, циркуляционные насосы (ЦП). В качестве внешних факторов рассматривают: поток солнечной радиации по направлению нормали к плоскости коллекторов Н( Г ); температуру наружного воздуха - 'о^); расход теплоты на выходе из БА - яр( Т ).

Поток солнечной радиации, поглощенный системой солнечных коллекторов, вызывает нагрев воды, циркулирующей через коллек­торы. Последняя поступает либо непосредственно в БА (одноконтур­ные системы), либо в ТО, где обусловливает нагрев воды из БА (двух - контурные системы). Циркуляция воды в системе обеспечивается работой насоса (системы с принудительной циркуляцией) или гидроста­тическим давлением, вызванным разностью плотностей воды в плоско­сти коллекторов и БА, возникающей при нагревании теплоносителя в коллекторах (системы с естественной циркуляцией). В неавтоматизи­рованных системах с принудительной циркуляцией расход воды через плоскость коллекторов является постоянной величиной (см. гл. 7). В системах с естественной циркуляцией расход теплоносителя являет­ся переменной величиной, зависящей от разности температур тепло­носителя в плоскости коллекторов и в аккумулирующей емкости.

Из-за сильной зависимости от внешних факторов, имеющих стохас тическую природу, теплофизические процессы, происходящие в систе­ме, являются нестационарными. Для описания этих процессов исполь­зуют систему дифференциальных уравнений, получаемых на основе закона сохранения энергии. При составлении уравнений принимают следующие условия:

Система может быть представлена в виде отдельных элементов, процессы теплопередачи между которыми характеризуются средними в пределах каждого элемента значениями коэффициентов теплооб­мена;

Температура теплоносителя в отдельных элементах изменяется равномерно от входа к выходу.

С учетом сделанных допущений тепловую модель рассматриваемой системы представляют в виде отдельных областей с равномерным полем температур. Система дифференциальных уравнений, описываю­щих протекающие в системе процессы, имеет вид:

Ni dt

Z [с •-------- --- Ni

" = 1 W d<L +gnicbKi - О + unAni - '<,)]" 2 Hni; i = Dt. n 1

+ uj(*j ~ 'o> +Sfb(tj - «,) =Ё]Сь(Ц - tj); I = M, j = 3,1 = 1;

Dti ' Vb Dt

_J_ + up, - g =Slcb(t, - Tj); I = l, j = 2; J eft

Dts

•+u<"/ - Я =gifBvК k=M2'f - 2;

3tl

+ - +e,fB(fi - tfhsfjti - tj);I = 2,/=2,У = 2; (11.17)

Dt

U/v- fo> в#/ - <к> "W'l - </);/= 1Л = 2, fc = 1; (11.18)

Dt

Ск -^f-+"k('K - <o> - 9 =£.1^/ - fc=i; (i 1.19)

Dt

...... "ri; (11.20)

Л

+ "k((K - g "fiftAi -1 - У +£хсв(*х - 'к);fc _ m2> (11.21)

Ntrnx

Где gn[ - расход теплоносителя через i-й коллектор л-го ряда; gj = Е gn — суммарный расход теплоносителя в гелиоконтуре; g^ — расход теплоносителя у потребителя; gx — расход теплоносителя на входе в БА; Tj, TK, Tj, Tp Tj - средние температуры в соответст­вующих областях; Uj, uK, up Uj - коэффициенты теплопередачи отдельных областей; Ср Cj, Ср Ср ск — удельная теплоемкость отдельных элементов; TQ - температура окружаю­щей среды; fcg, ~ характеристики теплообменника.

Приведенные уравнения представляют запись закона сохранения энергии для различных областей тепловой модели ССТ: уравнение (11.12) - для системы плоских коллекторов; (11.13) - для теплопро­вода, соединяющего выход из батарей солнечных коллекторов с входом в теплообменник (или в бак-аккумулятор в случае однокон­турной системы); (11.15) - для теплопровода, соединяющего выход ТО С входом батарей солнечных коллекторов; (11.16) - то же, соединяю­щего выход. БА с входом ГО; (11.18) - то же, соединяющего выход ТО С входом БА. Уравнения (11.14) и (11.17) - описывают работу теплооб­менника' (11.19) ... (11.21) - работу БА при условии наличия в нем вертикальной стратификации температуры жидкости.

Начальными условиями для рассматриваемой задачи служат

T«i|,r=o'=ti]f'=o = tik:»o=tt]r =0=ti|( = 0 = iifl'r=0 = to - (11.22)

Система уравнений (11.12) ... (11.21) дополняется уравнениями потокораспределения (составленными из предположения, что гидрав­лический режим - в элементах гелиосистемы является устойчивым турбулентным):

SLA'hl; (11.23)

Sjfi-sjt ЖЧРиi-Л); (11.24)

(11.25)

Где «j — суммарное гидравлическое сопротивление гелиоконтура и соединительных трубо­проводов; hj — напор, развиваемый в i-й области; />; + j, fi{~ текущая плотность тепло­носителя в i-й и смежной с ией областях в данный момент времени.

Уравнение (11.23) соответствует системам с принудительной цирку­ляцией. В этом случае:

Й-биЛмж, (П-26)

Где £оп - задаваемое значение оптимального расхода теплоносителя через плоскость коллектора; Nmax ~ максимальное число рядов коллекторов в батарее.

В этом случае задача гидравлического расчета сводится к выбору расчетных заданй параметров гелиоконтура (диаметров соединитель­ных трубопроводов, мест установки вентилей и др.), обеспечивающих оптимальные значения расхода теплоносителя в каждом коллекторе и соответствующее расходу (11.26) значение напора, развиваемого циркуляционным насосом (fcj^

В случае систем с естественной циркуляцией плотность теплоноси­теля является функцией его температуры и уравнение (11.24) решается совместно с уравнениями (11.12) ... (11.21) при начальных условиях, определяемых уравнениями (11.22), (11.25). Система в данном случае является саморегулирующейся.

Систему (11.12) ... (11.24) решают численным интегрированием с шагом во времени, определяемым соотношением:

"Г ' (11.27)

Еоп

Где V - объем теплоносителя в системе.

Необходимые параметры внешней среды - температура окружаю­щего воздуха, потоки солнечной радиации - формируются моделью внешней среды.

Расчет элементов оборудования ССТ. Расчет элементов оборудова­ния ССТ выполняют на основе принятой схемно-структурной организа­ции ССТ и ее параметров, определенных в процессе теплотехнических и гидравлических расчетов. Порядок расчета следующий:

Сантехническое оборудование, электрооборудование, строительные конструкции (включая объемы строительно-монтажных работ). Элементы сантехнического оборудования рассчитывают на основе

Принятого схемного решения и комплекса теплотехнических и гидрав­лических характеристик. Расчету подлежат: длины и диаметры трубо­проводов; подача и тип насосов; число, размеры и типы вентилей, задвижек, клапанов, воздухосборников, грязевиков и других элемен­тов; объем монтажных работ по установке солнечных коллекторов.

Расчет элементов электрооборудования включает подбор электро­двигателей к насосам, силовых щитов, автоматических выключателей, пускателей и т. п.

Элементы строительных конструкций рассчитывают в соответствии со Строительными нормами и правилами [4].

Сметные расчеты. Сметные расчеты включают в себя составление локальных, объектных и сводных смет. Расчет выполняют исходя из Состава работ, отраслевых нормативов и расценок, представленных в базе данных.

Технико-экономический анализ. Экономическую эффективность строительства ССТ определяют по результатам сопоставления годовых приведенных затрат в ССТ и альтернативный источник теплоснабже­ния. Годовые приведенные затраты определяют по формуле

П = ЕНК + И, (11.28)

Где Ен = 0,12 — нормативный коэффициент эффективности; К — капитальные вложения; И — годовые издержки.

Капитальные вложения в источник теплоснабжения определяют: для ССТ - по результатам расчета сметной стоимости строительства; для действующего традиционного источника принимают равными 0; для нового источника на органическом топливе к = Fc<jCCT, где <?сст - теппопроизводительность ССТ. к - удельные капитальные вложения в источник на органическом топливе (зависят от типа котлов, района строительства и др.).

Годовые издержки складываются из переменной и постоянной составляющих. Постоянная составляющая определяется амортизацион­ными отчислениями (а) от капитальных вложений в размере 9 % для котельных и 5 % для ССТ. Переменная составляющая издержек вклю­чает затраты на топливо, зарплату обслуживающего персонала и размер ущерба, наносимого окружающей среде при сжигании органического топлива в котельной.

Таким образом, для определения полных издержек используют следующие формулы:

H = aK + cTB + cjmOCCT+yoC, (11.29)

Где a — амортизационные отчисления от капитальных вложений; oj — удельные затраты на

Топливо; В - расход топлива, с3 - годовая зарплата одного работника; т - штатный коэффициент; QCCT - годовая выработка теплоты; У - ущерб, наносимый окружающей среде;

B = 0,033QCCT/? зам,

Где ч зш — коэффициент полезного действия замещаемого источника. Удельные затраты на топливо

Ст = эх + з, (11.31)

Где 3f — замыкающие соответствующие затраты; з — дополнительные затраты на распреде­лительный транспорт.

Ущерб, наносимый окружающей среде при сжигании органического топлива, в соответствии с методическими рекомендациями [2], опре­деляют по формуле

Уо. с =вУо. с> (И-32)

Где Уо. с. — Удельный ущерб, наносимый окружающей среде при сжигании одной 1 т усл. топл.

Эта величина может быть ориентировочно определена по данным Табл. 11.1 [2].

Экономический эффект от строительства ССТ выражается как эсст = Па-ПСст' (П. ЗЗ)

Где Псст, Па - годовые приведенные затраты соответственно на ССТ и альтернативный Источник теплоснабжения.

Расчетный срок окупаемости (лет):

Т = (Ксст-Ка)/эсст, (11.34)

Где Ка — соответственно капитальные вложения в ССТ и в альтернативный

Источник теплоснабжения.