Основные публикации по солнечной энергии

Расчеты эффективности и экономических показателей систем солнечного отопления и охлаждения

В гл. 12 мы рассмотрели работу Буца [3],- посвященную изуче­нию тепловых нагрузок здания, оборудованного комбинированной 'сис­темой солнечного горячего водоснабжения, отопления и кондициони­рования воздуха. Это рассмотрение не коснулось работы системы ох­лаждения. В данном разделе описывается система, содержащая кон­диционер воздуха (фиг. 13.7.1). На этой фигуре показаны все упомя­нутые в гл. 12 элементы системы, расположенные в здании, и допол­нительно введенный кондиционер воздуха, градирня, а также несколь­ко измененная схема регулирования работы кондиционера. Как уже указывалось, система работала в климатических условиях Альбукер­ке и основным изучаемым конструктивным параметром являлась пло­щадь коллектора. Новые элементы системы, способ их регулирования и условия работы могут быть представлены следующим образом.

Абсорбционный кондиционер воздуха, В качестве абсорбционного кондиционера воздуха использовалась конструктивно измененная хо­лодильная машина Аркла производительностью 3 т. Генератор нагре­вается горячей водой и имеет поверхность теплообмена, достаточную для работы на полную мощность. Кроме того, он может работать при заполнении, составляющем 1/з от заполнения, характерного для стан­дартной машины Аркла. В этих условиях температура генератора сни­жается на несколько градусов и требуется насос для циркуляции аб­сорбента в холодильной машине с переменной скоростью. Работа хо­лодильной установки описывается эмпирическим соотношением (фиг. 13.5Л), которое получено при экспериментальном исследовании этих и других холодильных машин на водном растворе бромида лития с учетом изменения их характеристик, вызванного реконструкцией.

Градирня. Предполагается, что температура воды на выходе из градирни перед поступлением в кондиционер воздуха на 6°С превыша­ет показание внешнего влажного термометра, (Эта оговорка является условной в том смысле, что такое превышение относительно показа­ния влажного термометра желательно в режиме полной нагрузки, а для режима недогрузки возможно и меньшее превышение.)

Схема регулирования на фиг. 13.7.1 не показана. Регулирование холодильной установки осуществляется аналогично регулированию системы отопления, т. е. при повышении температуры холодильная ус­тановка начинает работать, используя энергию горячей воды из бака - аккумулятора, а затем — от одной или двух ступеней дополнительного нагревателя. Схема регулирования обоих режимов (отопления и кон­диционирования) работы системы показана на фиг. 13.7.2. Как отмеча­лось выше, коллектор имеет независимое регулирование.

Фиг. 13.7.2. Схема регулирования системы отопления и охлаждения с двухступенчатым дополнительным нагревателем, смоделированной для лома в Альбукерке [ 3].

Стрелки, направ ленная вверх, означает, что указанная операция вы­полняется, когда температура в помещении становится выше контроль­ной температуры; стрелка, направленная вниз, означает, что указан­ная операция выполняется, когда температура в помещении становит­ся ниже контрольной температуры.

1Если предварительно система была выключена.

2Еслк предварительно система была включена.

Работа этой системы в режимах отопления, охлаждения и горя­чего водоснабжения изучалась применительно к климатическим усло­виям Альбукерке для четырех значений площади коллектора. Конструк. тивные параметры системы приведены в табл. 12.8.1. В каждом слу­чае предметом изучения ЯВЛЯЛИСЬ ПОЛИЧ[23]' количества энергии, вклю­чающие суммарные количества требуемой энергии, а также количе­ства энергии, обеспечиваемые за счет солнечного коллектора и до­полнительного источника энергии. В качестве примера на фиг. 13.7.3 приведены среднесуточные количества энергии по месяцам для кол­лектора площадью 32,5 м2.

Данные фиг. 12.8.3 соответствуют такой же площади коллекто­ра. Очевидно, что для работы системы кондиционирования воздуха

летом потребуется практически вся энергия, поступающая от солнеч­ного коллектора. Поэтому во время работы солнечного кондиционера летом для обеспечения нагрузки на горячее водоснабжение частично требуется энергия дополнительного источника. Таким образом, реа­лизуются две схемы потребления энергии в течение года: весной и осенью коллектор почти полностью удовлетворяет потребности в энер­гии, а летом и зимой требуется значительное количество дополнитель­ной энергии.

В табл. 13.7.1 и 13.7.2 приведены месячные тепловые нагрузки дома в Альбукерке при использовании коллекторов двух различных размеров. Эти таблицы аналогичны приведенным в гл. 12 для систем отопления и горячего водоснабжения.

Данные таблиц показывают, что суммарный расход энергии на ох­лаждение до некоторой степени зависит от площади коллектора. Эта зависимость объясняется двумя причинами. Во-первых, при использо­вании коллекторов большой площади система регулирования поддер­живает в здании условия, близкие к расчетным, при большей доле ис­пользуемой солнечной энергии, определяемой площадью коллектора.

В случае применения коллекторов меньшей площади условия чаще вы­ходят за пределы расчетного диапазона, что приводит к уменьшению суммарных затрат энергии, требуемых для работы холодильной уста­новки. Во-вторых, емкость бака-аккумулятора и, следовательно, его тепловые потери зависят от площади коллектора. Если эти тепловые потери выделяются внутри помещения, то нагрузка на систему охлаж­дения увеличивается в зависимости от площади коллектора и, следо­вательно, размеров аккумулятора. С увеличением площади коллекто­ра повышается также средняя температура бака-аккумулятора. В табл. 13.7.1 и 13.7.2 приведены нагрузки по охлаждению, найденные для двух значений площади коллектора. Представленные ниже эконо­мические расчеты проведены для наибольшей величины нагрузки по охлаждению (при площади коллектора 88,3 м2)1 и, следовательно, учи­тывают максимальные расходы дополнительной энергии.

В этом примере комбинированная работа системы в режимах отопления и охлаждения приходится только на апрель, при этом по­требность в энергии относительно невелика. Сравнение этих таблиц с табл. 12.8.2 и 12.8.3 показывает, что при выполнении системой до­полнительно функции охлаждения годовая выработка полезной энер­гии за счет солнечной радиации увеличивается от 62,6* 10° до 94,4* 10® кДж при площади коллектора 32,5 м2 и от 77,6* 106 до

Расчетные месячные тепловые нагрузки (10‘ кДж) для лома в Альбукерке 131 ’

1 Плошадь коллектора 32,5 м2*

2 Полная потребность в энергии на охлаждение меняется в зависимости от площади коллектора. В экономическом расчете затрат приняты наибольшие значения (см. текст). Среднегодовое значение кпд

=» 94,4/306,3 - 0,31.____________________________________________________

1 Площадь коллектора 60,4 м2.

2 Полная потребность в энергии на охлаждение меняется в зависимости от площади коллектора. В экономическом расчете затрат приняты наибольшие значения (см. текст). Среднегодовое значение к. п.д. л - 135,9/567,7 - 0,24.

135,9* 10е кД ж при площади коллектора 60,4 м2. Как видно, коллектор обеспечивает довольно значительный вклад в общую полезную энергию.

На фиг. 13.7.4 по аналогии с фиг. 12.8.4 представлен результи­рующий график изменения полной тепловой нагрузки по месяцам для системы с площадью коллектора 32,5 м2. Начало отсчета приходится на 1 октября. На фиг. 13.7.5 приведена зависимость среднегодового значения к. п.д. коллектора и годового количества полезной энергии от площади коллектора для системы, предусматривающей охлаждение.

Сопоставление характеристик систем, имеющих соизмеримые площади коллектора, также выявляет заметное увеличение годового

количества полезной энергии и среднегодового значения к. п.д. при ис­пользовании коллектора для охлаждения в летний период. Однако, как отмечалось выше, больший коллектор в течение более длительного про­межутка времени используется не на полную мощность.

Среднемесячные значения к. п. д. коллекторов с разными площадя­ми поверхности представлены на фиг. 13.7.6. Меньшие коллекторы всегда имеют более высокие значения к. п.д., чем большие, поскольку они работают при более низких средних температурах. Летом разница менее выражена, так как температура бака-аккумулятора практичес­ки постоянно поддерживается в пределах 70 — 110°С. Весной и осенью, когда потенциальная мощность коллектора значительно превышает его нагрузку, эта разница становится особенно заметной. Несмотря на

/23 </ 5 6 7 в 9 Ю И 12 1

Месяц

Фиг. 13.7.6. Среднемесячные значения к. п.д. коллекторов, опреде­ляемые как отношение суммарного количества полезной энергии кол­лектора к общему количеству энергии падающей на него солнечной радиации в течение месяца для четырех значений площади коллекто­ра [33.

то что этот пример отражает частный случай, подобную тенденцию можно ожидать в любой системе, работающей с недогрузкой на протя­жении какого-то времени Года.

Полученные результаты исследования тепловых характеристик системы показывают, как она может работать в климатических усло­виях Альбукерке. Как и в случае системы без охлаждения, эти иссле­дования позволяют определить наименьшие затраты при комбиниро­ванном использовании солнечной и дополнительной энергии в зависи­мости от двух основных параметров: стоимости топлива CF в долл/106 кДж и капитальных затрат на единицу поверхности коллек­тора Сс.

В этом примере первая из названных величин, оцениваемая в 1000 долл., относится к абсорбционному кондиционеру воздуха и опре­деляет превышение стоимости абсорбционной холодильной установки по сравнению со стоимостью более распространенных компрессион­ных установок подобного назначения. Эта величина соответствует прежней стоимости таких холодильных машин, которые при доработке

могли найти применение в системах солнечного охлаждения. Таким образом, в этом примере приводится сравнение системы отопления и абсорбционного охлаждения, работающей за счет солнечной энергии и энергии топлива, с одной стороны, и системы, включающей компрес­сионный кондиционер воздуха и отопительный агрегат, работающий за счет сжигания топлива, — с другой. В других обстоятельствах воз­можны иные, более подходящие сопоставления. В этом рассмотрении затратами на энергию для перекачки теплоносителя пренебрегают (хотя при оценке затрат для обычных систем учитывается стоимость энергии, расходуемой для питания компрессионного кондиционера в размере 3 цент /кВт - ч). Затраты на энергию, требуемую для работы градирни, также в расчете не учитываются, хотя это допущение мо­жет оказаться недостаточно оправданным.

Определение затрат для комбинированной системы проводится по уравнению (13.3.1). Приведя его к виду уравнения (12.8.2), полу­чим выражение для полных годовых затрат сверх базовых:

СТ, О - I (Ce + c'st) Ае + СЕ + CR, І]/ + Qa CF • (13.7.1)

В расчете принимаются те же экономические показатели, что и в гл. 12, т. е.

/ = 0,10185,

С*$т= 8,0 долл/м2,

СЕ = 250 долл.,

Се = 20; 40 и 60 долл./м2,

Cf = 2; 4 и 6 долл./106кДж.

После подстановки уравнение принимает вид

сТ, а =[(С_ + 8МС + 125010,10185+ QaCf, (13.7.2)

где величины Сс и Ср являются параметрами затрат, a QA является функцией Ас, определяемой по результатам исследования энергети­ческой эффективности системы.

На фиг. 13.7.7 приведены годовые затраты сверх базовых (без учета стоимости топливного подогревателя и оборудования тепловых коммуникаций) для двух величин стоимости коллектора и четырех цен на энергию, получаемую за счет сжигания топлива. Площади кол­лекторов, соответствующие минимальным годовым затратам в слу­чае комбинированной системы, больше, чем в случае системы, обес­печивающей только отопление и горячее водоснабжение, поскольку более высокая эффективность использования коллектора в первом случае позволяет получать на протяжении года больше полезной энергии.

Для сравнения с затратами на обычную систему, включающую топливный подогреватель и систему компрессионного охлаждения, следует установить стоимость электроэнергии. Если последнюю при­нять равной 3 цент/кВт-ч, а предельное значение холодильного коэф­фициента электрокомпрессионной системы 2,1, то годовые затраты

на энергию, потребляемую компрессионной холодильной установкой для рассматриваемого дома, составят 214 долл. При ценах на топли­во 2, 4 и 6 долл./10е кДж годовые затраты в случае обычной систе­мы соответственно составят 392, 570 и 747 Долл. Суммарные величи­ны затрат на получение энергии за счет сжигания топлива и для ком­прессионного охлаждения представлены на фиг. 13.7.7 в виде горизон­тальных линий, хотя они не являются функцией площади коллектора.

Как и в случае использования только отопительной системы, в неко­торых интервалах значений плошади коллектора (если таковой вообще имеется) комбинированные системы оказываются выгодаее обычных систем. Например, при Сс « 40 долд/м2 и С~ я 4 долл./106 кДж сис - темы с коллектором площадью 45 — 70м2 обычно несколько дешевле обычных систем. При Ср 6 долл./Ю6 кДж и стоимости коллектора ~ 60 долл./м2 или менее можно также получить экономическую выгоду.

В заключение следует сказать, что рассмотренный пример пока­зывает, как средствами расчетного и технического моделирования можно получить информацию, аналогичную той, которую дает экспери­ментальное исследование систем, и каким образом с ее помощью мож­но оптимизировать конструктивные параметры системы. Однако к по­лученным результатам следует относиться с осторожностью. Был рас­смотрен частный случай системы на основе выборочных годовых ме­теорологических данных, присущих определенной местности. Резуль­таты фиг. 13.7.6 получены с учетом ряда дополнительных условий в отношении затрат и эффективности компрессионной системы. В рас­смотренной системе нагрузки в режимах отопления и охлаждения доста­точно хорошо сбалансированы. Для других зданий и климатических условий оптимальные значения площади коллектора и других конструк­тивных параметров, а также конфигурация системы могут оказаться совершенно иными. Однако данный пример дает представление о харак­тере информации, которую можно получить методами моделирования. Работа по обобщению этих результатов, сравниванию их с данными эк­спериментов и представлению в удобном для практического использо­вания виде находится в настоящее время на начальной стадии.