Основные публикации по солнечной энергии

Расчеты эффективности и экономических показателей системы солнечного отопления

В работах [5,6] Буц и др. разработали методы моделирования тепловых нагрузок здания, оборудованного системами нагрева воды для бытовых нужд, отопления помещения и кондиционирования возду­ха за счет солнечной энергии. В этом разделе будут рассмотрены рабочие характеристики систем нагрева воды и отопления, а также результаты моделирования и расчета эффективности. Расчетная теп­ловая эффективность служит основой для последующих экономичес­ких расчетов. Анализ эффективности и экономики системы кондицио­нирования воздуха как части общей системы приводится в следующей главе. Несмотря на то что рассматриваемую систему нельзя считать полностью оптимальной и некоторые ее элементы требуют дальнейше­го совершенствования, опыт моделирования такой системы иллюстри­рует возможность прогнозирования тепловой эффективности, а также методы использования этих результатов для достижения наименьшей общей стоимости. (Примечание: экономические расчеты Буца прове­дены для системы, сочетающей солнечное отопление, горячее водо­снабжение и охлаждение. Однако здесь будут отдельно рассмотрены отопление и нагрев воды, включая выполненный Буцем экономический анализ системы, но без учета охлаждения.)

Схема системы (без воздушного коалиционера) показана на фиг. 12.8.1.

Большинство расчетных параметров выбраны на основе данных Лёфа и Тибота [ 13] для климатической зоны Альбукерке (шт. Нью - Мексико). Расчет эффективности системы производился с привлечением

часовых метеорологических данных за год для Альбукерке. В табл. 12.8.1 приводится ряд расчетных параметров системы, принятых Бу - пем. В качестве основного расчетного параметра была принята пло­щадь коллектора и было определено оптимальное значение этого па­раметра для дома в Альбукерке.

Основные элементы системы и способ их моделирования рассмот­рены в работе Буна следующим образом.

1. Солнечный коллектор представлял собой плоский водонагрева­тель, характеристики которого приведены в таблице. При моделиро­вании коллектора по уравнению (7.7.5) теплоемкость его не учиты­вается. Принимается, что коллектор и вся система работают при максимальном абсолютном давлении 0,2 МПа (2 атм), поэтому мак­симальная температура коллектора ограничена 110°С. Предполагает­ся, что для отвода избыточной энергии с целью поддержания темпе­ратуры на выходе из коллектора ниже этого уровня приняты соответ­ствующие меры.

2. Аккумулятор представляет собой водяной бак с удельным по­казателем 61 кг/м2, который определяет массу воды в баке на еди­ницу площади коллектора. Аккумулятор моделировался по методу, описанному в гл. 9, как трехсекционный бак с раздельной стратифи­кацией с использованием уравнений, идентичных уравнениям гл. 9,

и как бак с полным перемешиванием воды с использованием уравне­ния (9.3.2). Приведенные здесь результаты получены в упрощающем задачу предположении об отсутствии стратификации. Тепловые поте­ри от бака происходят внутри здания.

3. Система горячего водоснабжения здания включает в себя обыч­ный газовый или электрический водонагреватель в сочетании с подо­гревом за счет солнечной энергии» Теплопередача в системе солнеч­ного подогрева осуществляется с помощью теплообменника, разме­щенного между основным баком-аккумулятором и баком горячей во­ды для бытовых целей. Система дополнительного нагрева воды отде­лена от дополнительного источника энергии отопительной системы

и подключена непосредственно к баку горячей воды. Этот бак моде­лируется в предположении полного перемешивания воды, а следова­тельно, равномерного распределения ее температуры. При этом до­полнительная энергия подводится к баку всякий раз, когда за счет теплообмена между основным баком-аккумулятором и баком горячей воды не удается обеспечить в нем заданного минимального уровня температуры.

4. Тепло от основного бака-аккумулятора передается в здание с помощью водовоздушного теплообменника. Этот процесс модели­руется методом £ —NTU (эффективность — число единиц переноса).

5. Дополнительный источник энергии отопительной системы (по­догреватель) представляет собой двухступенчатый нагреватель, включенный в линию между баком-аккумулятором и водовоздушным теплообменником. (При принятых расчетных параметрах применение такой схемы может привести к тому, что часть энергии, поступаю­щей от дополнительного источника, при некоторых условиях оказы­вается выше уровня тепловой нагрузки на теплообменнике. Этот из­быток энергии направляется в бак-аккумулятор, что снижает эффек­тивность работы коллектора.)

6. Принимается, что тепловая нагрузка здания, имеющего полез­ную площадь 167 м2, составляет -32300 кДж/(град • сут). Принима­ется также, что стены изготовлены из стаадартных строительных материалов с хорошей изоляцией, а коллектор размещен таким обра­зом, что он не оказывает влияния на энергетический баланс здания. Модель здания представлена в виде тепловой сетки, позволяющей рассчитать полезное поступление тепла, потери и влияние теплоем­кости конструкции здания. Каждая из четырех стен и крыша модели­ровались тремя узлами с емкостью и проводимостями, соответству­ющими стандартным строительным материалам. Площадь окон прини­малась равной 15% площади стен. Внутренние конструктивные эле­менты здания и предметы обстановки принимались за один узел. Этот внутренаий узел имел температуру, принимаемую за базовую, по ко­торой осуществляется контроль и регулирование. Выли также учтены инфильтрация, выделение тепла и влаги в помещении.

7. Управляющими сигналами системы регулирования коллектора (она не показана на схеме) являются температура в баке-аккумуля­торе (в нижней части бака в случае стратификации) и расчетная тем­пература на выходе из коллектора, которая установилась бы в про­цессе работы коллектора. Всякий раз, когда последняя оказывалась выше, т. е. когда полезная энергия могла отбираться, включался на­сос, обеспечивающий циркуляцию воды, и коллектор вступал в рабо­ту. Такая система регулирования напоминает часто применяемую на практике систему, в которой измеряются температура теплоносите­ля в верхней части коллектора и температура в баке-аккумуляторе.

8. Регуляторы системы отопления не показаны на схеме. Основ­ной переменной, на базе которой проводилось регулирование, являет­ся расчетная температура внутреннего узла здания (температура в

Фиг. 12,8.2. Схема регулирования и режимов работы системы отоп­ления, смоделированной для дома в Альбукерке.

Стрелка, направленная вверх, означает, что температура в помеще­нии становится выше контрольной температуры, а стрелка, направ­ленная вииз, - что температура в помещении становится ниже конт­рольной температуры.

Если предварительно система была включена.

2 Если предварительно система была выключена.

помещении). Регулирование системы отопления осуществлялось на основе четырех контрольных температур. Схема работы такой сис­темы регулирования показана на фиг. 12.8.2.

В климатических условиях Альбукерке система работала в ком - ' бинации с каждым из четырех коллекторов различной площади, обеспе­чивая по мере необходимости отопление помещения и потребности в горячей воде на бытовые нужды в течение всего года. На фиг. 12.8.3 показаны основные среднесуточные энергетические показатели сис­темы по месяцам при площади коллектора 32,5 м2. В табл. 12,8.2 и 12.8.3 приведены результаты расчета интегральных значений энергии по месяцам для системы, использующей коллекторы различной пло­щади. На фиг. 12.8.4 представлен итоговый график тепловых нагрузок

Ф и г. 12.8.3. Расчетные среднесуточные количества потребляемой энергии по месяцам для дома в Альбукерке с коллектором площадью 32/ м2 [53.

1 - подогреватель воздуха; 2 - дополнительный источник отопитель - иой системы; 3 — горячее водоснабжение; 4 — горячее водоснабже­ние за счет солнечной энергии.

Расчетные месячные тепловые нагрузки (10‘ кДж) для дома в Альбукерке1

Расчетные месячные тепловые нагрузки (10* кДж) для дома в Альбукерке1

1 Площадь коллектора 32,5 м2:, лСре обеспечение годовой нагрузки за счет *cd

2 Площадь коллектора 60,4 м2; г)СреДпсі годовой нагрузки за счет солнечной энергии

для здания с коллектором площадью 32,5 м2, построенный аналогич­но графику Лёфа для денверского дома и Дома МТИ - IV. Для нагляд­ности за начало года взято начало отопительного сезона (начало сентября).

На фиг. 12.8.5 представлена информация другого рода, которая может быть извлечена из результатов теплового анализа. Эта инфор­мация представляет собой сведения о годовом количестве полезной энергии, получаемой с единицы площади коллектора, и о среднегодо­вом к. п.д. коллектора. Обе эти величины являются функциями разме­ра коллектора. При больших размерах коллектора продолжительность периода в году, в течение которого могут быть использованы избы­точные площади коллектора, существенно уменьшается, что приводит к уменьшению степени полезного использования всего коллектора.

Другими словами, чем больше коллектор, тем больший период време­ни он оказывается недогруженным. Таким образом, системы мень­ших размеров, работающие при более низкой температуре, более эф­фективно используют солнечную энергию за счет более высокого к. п.д. коллектора.

Определив таким образом характеристики тепловых нагрузок, обратимся к отысканию площади коллектора, при которой становятся наименьшими затраты на систему солнечного отопления и горячего водоснабжения. В этом анализе полные затраты определяются с уче­том принятых цен на энергию, получаемую от обычных источников (т. е. стоимости топлива Ср в долл./106 кДж), и принятых цен на еди­ницу площади коллектора (т. е. первоначальная стоимость Сс и годо­вые издержки I). Следует иметь в виду, что реальная стоимость кол­лектора, вспомогательного оборудования для него и топлива могут меняться в зависимости от района страны, типа здания и рассматри-

ваемого периода временй. В данном рассмотрении величины Сс и CF приняты в качестве переменных.

Уравнение (12.5.4) позволяет определить полные годовые затра­ты в зависимости от стоимости коллектора и вспомогательного обо­рудования, энергии и цен на топливо. Стоимость дополнительного ис­точника энергии принимается одинаковой для всех систем независи­мо от размера коллектора и не оказывает влияния на оптимальные раз­меры коллектора. Затраты на техническое обслуживание принимают­ся небольшими. Эксплуатационные издержки для системы солнечного отопления, связанные в основном с расходами энергии на прокачку воды через коллектор, для хорошо спроектированной системы невели­ки и могут в расчете не учитываться. Таким образом, уравнение (12.5.4) сводится к определению годовых затрат СТ а, превышающих базовые[22] :

СТ,0 - <СсАс + CST + СЕ>1 + QACF • <12-8Л>

Если стоимость аккумулятора отнести непосредственно к площади коллектора, то

Ст. а - 1(Сс * C-ST)Ac + СЕ V + QaCf, (12.8.2)

где — стоимость аккумулятора на единицу площади коллектора. При этом были приняты следующие значения:

I =* 0,10185 в соответствии с годовой нормой процента, равной 8%, и сроком амортизации 20 лет;

С£т = 8 долл./м2, исходя из стоимости бака-аккумулятора 0,132 долл. на 1 кг емкости и емкости аккумулятора, отнесенной к единице площади коллектора, 61,0 кг/м2.

СЕ - 250 долл. на дополнительные трубопроводы и насосы, мо­дификацию регулирования системы горячего водоснабжения и другие затраты, не связанные с вопросами оптимизации площади коллектора.

Переменными параметрами в этом анализе стоимости являются СТОИМОСТЬ коллектора Сс И СТОИМОСТЬ дополнительной энергии Ср, принятые соответственно равными 20, 40, 60 долл./м2 и 2, 4, 6долл./106 кДж. Тогда величина затрат сверх базовых составляет CTta - UCc + 8,00)Ас + 25010,10185 + QACF, (12.8.3) где Сс и Ср — параметры, характеризующие стоимость, а Ас и QA — площадь коллектора и годовое потребление дополнительной энергии, определяемое из анализа тепловых нагрузок. Годовые затраты сверх базовых представлены на фиг. 12.8.6 в зависимости от площади кол­лектора для трех значений стоимостей коллектора и трех уровней цен на топливо. Для каждого случая, за исключением случая наимень­шей цены на топливо и наивысшей стоимости коллектора, кривые зат­рат имеют минимум. Оптимальная площадь коллектора возрастает с увеличением стоимости энергии, получаемой за счет сжигания топлива,

и с уменьшением стоимости коллектора. Оптимальная площадь кол­лектора для данного примера находится в пределах 20 - 50 м2. при таких размерах коллектора доли полной потребности в энергии, обес­печиваемые за счет солнечной радиации, находятся в пределах от од­ной второй до трех четвертей (фиг. 12.8.5).

Горизонтальные линии на фиг. 12.8.6 , соответствующие разным значениям CF, определяют затраты на топливо, необходимое для отоп­ления, если бы здание отапливалось только за счет обычного источ­ника энергии. Если кривые для совмещенной системы расположены ниже этих линий, годовые затраты для совмещенной системы будут, меньше, чем для обычной отопительной системы. Например, при це­не на топливо 4 долл. /106 кДж совмещенная система при стоимости коллектора 40 долл./м2 будет дешевле в интервале площадей коллек­тора 5-58 м2. Если стоимость коллектора составит 60 долл./м2, то совмещеннйя система оказывается дешевле обычной системы при площади коллектора до 33 м2. Этот пример, несмотря на то что двн - ную систему нельзя считать полностью оптимальной, наглядно пока­зывает, как могут быть построены модели тепловых нагрузок и как тепловая эффективность системы может быть связана со стоимостью при отыскании оптимальных сочетаний солнечной энергии и энергии обычного топлива, обеспечивающих минимальные затраты. В гл. 13 эта система будет рассмотрена вновь в связи с ее дополнительной функцией обеспечения работы абсорбционного воздушного кондицио­нера в летнее время. Полученные в приведенном выше примере циф­ры справедливы лишь для выбранных при моделировании конструкций с учетом конкретных климатических условий, и их не следует рас­пространять на другие варианты конструктивных решений для других районов.