СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛО — И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

Общие сведения. В настоящее время разработано множество мето­Дов расчета систем солнечного теплоснабжения, которые условно Можно классифицировать по следующим факторам:

Уровню математического описания - использующие полную или упрощенную математическую модель системы и ее элементов, характе­ристики в средней точке, уравнение регрессии;

Режиму работы, для которого выполняют расчет - номинальный, эксплуатационный;

Использованию вычислительных средств для расчетов - с исполь­зованием электронно-вычислительных машин и без них (ручной).

Каждый метод расчета имеет свои достоинства, ограничения и целесообразную область применения. В зависимости от типа исполь­зуемой системы, применяемого оборудования и т. д. определяется и метод ее расчета.

Наиболее простым является метод расчета по средней точке, когда линейную или даже нелинейную характеристику системы или элемента заменяют одним значением - чаще всего такой расчет ведется по КПД. Этот метод, естественно, имеет наибольшие погрешности, однако он прост, позволяет оперативно сравнивать различные варианты и при хорошем знании используемых величин может быть рекомендован для предварительных расчетов на стадии технико-экономического срав­нения вариантов.

Расчет на математических моделях целесообразно проводить в первую очередь для нахождения с помощью ЭВМ показателей системы в эксплуатационном режиме и для расчетов вновь разрабатываемых экспериментальных гелиосистем. При переходе к типовому проектиро­ванию подробные математические модели могут заменяться составлен­ными на их основе номограммами или уравнениями регрессии, которые позволяют легко проводить технико-экономическую оптими­зацию проектных решений. Однако они, как правило, описывают конкретное схемное решение, привязаны к определенным климатичес­ким условиям, типу оборудования и т. д., что требует определенного навыка при распространении полученных результатов на смежные области.

Наиболее распространенным за рубежом методом расчета систем теплоснабжения является /-метод [2]. Основные положения метода заключаются в использовании результатов подробных вычислений долгосрочных характеристик системы на математических моделях для составления уравнений регрессии, описывающих их зависимость от величин двух безразмерных комплексов, имеющих определенный физический смысл:

У - отношение поглощенной за месяц солнечной радиации к тепло­вой нагрузке за тот же период;

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

Следует отметить, что /-метод не очень удобен для оптимизацион­ных расчетов, требует большого объема вычислений, однако из всех существующих в настоящее время методов расчета систем теплоснаб­жения он наиболее универсален. Приведенные ниже методы расчета, разрабатываемые отечественными исследователями, предназначены для нахождения оптимальных параметров систем, обеспечивающих максимальное значение целевой функции. Это может быть экономия приведенных затрат на данный вариант теплоснабжения, .обеспечение требуемого коэффициента покрытия нагрузки при данных условиях и т. д.

Расчет и проектирование установок солнечного горячего водоснаб­жения. Установки солнечного горячего водоснабжения (УСГВ) выпол­няют с жидкостными или комбинированными солнечными коллектора­ми, одно-, двух - или многоконтурные, с естественной (термосифонной) или принудительной циркуляцией; бак-аккумулятор может быть совмещен или не совмещен с теплообменником.

Наиболее просты в устройстве проточные одноконтурные системы (рис. 6.6, а), расчет которых выполняют, как и расчет солнечных водо­нагревателей по формулам главы 6.2. Однако при использовании в них серийных коллекторов, выпускаемых отечественной промышленное-, тью, их главный недостаток - подверженность коррозии - сводит на нет возможные преимущества.

Для повышения коррозионной устойчивости и обеспечивания возможности работы с антифризом в качестве теплоносителя в зимнее время, системы чаще всего выполняют двух - или много контурными (рис. 6.6, б).

Недостатком термосифонных систем является их низкая тепловая эффективность, из-за малых скоростей движения теплоносителя. Для ее повышения в крупных системах, как правило, используют принуди­тельную циркуляцию, что, в свою очередь, наиболее эффективно при максимально низкой температуре теплоносителя, подаваемого в

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛО - И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛО - И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛО - И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛО - И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

Рис. 6.6. Принципиальные схемы установок солнечного горячего водоснабжения

А — одноконтурные проточные; б — двухкоктурные с естественной циркуляцией; в — Двухконтурные с принудительной вентиляцией; г — двухконтурные с теплообменником в Баке-аккумуляторе; д — с промежуточным контуром; е — с секционным баком-аккумуля­тором; ж — с секционным баком-аккумулятором и скоростным теплообменником

Л

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛО - И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

Коллекторы. Эта температура в значительной мере зависит от схемы присоединения бака-аккумулятора. Наиболее простой является схема, которая предусматривает наполнение бака-аккумулятора водой, нагретой в скоростном теплообменнике (рис. 6.6, в). Эта схема обеспе­чивает охлаждение теплоносителя циркуляционного контура в преде­лу ограниченном температурой водопроводной воды. Однако система Работает только определенное время, так как по мере роста температу­
ры воды в баке повышается уровень радиации, которая может быть полезно использована. Поэтому при работе системы с постоянным расходом теплоносителя в послеполуденные часы температура воды в баке обязательно понижается, а при работе с нагревом воды до задан­ной температуры рабочими являются только околополуденные часы. Установка теплообменника в баке-аккумуляторе (рис. 6.6, г) снижает теплопотери оборудования, однако при этом из-за низких значений коэффициентов теплообмена возрастает площадь поверхности тепло­обменника. Эта схема тоже ограничена во время работы и, кроме того, с повышением температуры в аккумуляторе возрастает температура -теплоносителя, подаваемого в гелиоприемники.

.Стремление интенсифицировать теплообмен привело к появлению схем с промежуточным контуром (рис. 6.6, д).

Увеличить эффективность схемы можно за счет использования явления стратификации воды в аккумуляторе. Суммарную емкость бака-аккумулятора разбивают на секции (рис. 6.6, е) и благодаря различию температур в секциях, теплоноситель в коллекторы подается с более низкой температурой, чем в схемах гид, при той же средней температуре аккумулированной воды. Увеличивается время полезной работы, так как в послеполуденные часы коллекторы могут работать только на секцию с более низкой температурой, что существенно увеличивает тепловую отдачу системы. Однако в связи с объемом последней секции система не может работать весь световой день. Установка скоростного теплообменника после последней секции аккумулятора (по ходу теплоносителя циркуляционного контура) позволяет системе работать в течение всего времени инсоляции (рис. 6.6, ж, з).

Для сравнительного анализа, выбора рационального числа секций аккумуляторов и площади теплообменников, расходов в контуре промежуточной циркуляции и других параметров необходимо про­вести исследования систем.

Натурные исследования описанных систем требуют значительных затрат на их сооружение и многолетних испытаний. Рациональнее провести сравнительные исследования на математических моделях, используя для расчетов ЭВМ. В КиевЗНИИЭПе разработаны программы для двухконтурных систем, работающих с заданными расходами теплоносителя и нагреваемой среды, а также с отбором воды постоян­ной температуры. Тепловые процессы, проходящие в элементах систе­мы, описываются уравнениями, приведенными в главе 6.2.

Разработанная математическая модель описывает достаточно широкий класс систем и позволяет варьировать параметры (поверх­ность коллекторов, вместимость и число баков-аккумуляторов, расход теплоносителя, климатические параметры и т. п.). Модель откорректи-

Рована по результатам натурных исследований на объектах для уста­новления ее адекватности экспериментальным данным; исследования выполнены в эксплуатационном режиме для различных схемных решений и климатических условий. Климатическая информация исходила из условий так называемого "типичного года", данные по нагрузке горячего водоснабжения - удельные нормативные, построен­ные по суточному графику водопотребления жилого дома на одного человека - 120 л/су т.

Исследования работы системы с секционным баком-аккумулятором показали, что расход теплоносителя гелиоконтура влияет на его эффективность и процессы теплопередачи в теплообменниках (рис. 6.7, а). Коэффициенты теплопередачи в емких теплообменниках снижаются при малых расходах и практически не меняются при изме­нении расхода в оптимальных пределах.

Результаты расчетов производительности гелиосистемы при постоянном объеме бака-аккумулятора (0,15 м3/чел.), различной площади коллекторов (1 ... 4 м2/чел.), в зависимости от числа секций, на которые разбивают суммарный объем бака, приведены на рис. 6.6, б. Из графиков следует, что по мере роста площади поглощающей поверх­ности и соответствующего возрастания производительности системы эффективность устройства температурной стратификации по секциям бака-аккумулятора возрастает. При этом для каждой площади сущест-

«22-11 161

Со Y

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛО - И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

Рае. 6.8. Зависимость коэффициента замещения (с) и КПД (б) системы от ее параметров

Вует некоторый уровень насыщения, увеличение числа секций свыше которого не приводит к ощутимому росту производительности системы. Так, при удельной площади гелиоприемника 1 м2 на жителя установка более чем двух секций практически не целесообразна; при площади свыше 4 м2 желательна установка не менее 4 секций.

Если проанализировать графики покрытия гелиосистемой годовой потребности в тепле на горячее водоснабжение и ее коэффициента полезного действия (рис. 6.8), то видно, что объем бака V оказывает существенное влияние на производительность системы и ее эффектив­ность. Влияние увеличения объема бака-аккумулятора тем больше, чем больше соответствующая удельная площадь коллекторов.

Для площадей коллекторов меньше, чем 2 м2 на 1 жителя, увеличе­ние объема бака свыше 0,15 м^ не дает заметного увеличения коэф­фициента замещения. Изменение объема от 0,15 до 0,25 м3 оказывает малое влияние на годовой КПД системы. Резко снижает годовой КПД системы увеличение площади коллекторов; задача ее определения имеет важное значение и носит оптимизационный характер. Критерием оптимизации служит минимум приведенных затрат на систему. Наиболее сложным для нахождения экстремума является вычисление годовой производительности системы, на основе данных натурных исследований или определяемое с помощью ЭВМ.

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛО - И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

Для упрощения этой процедуры, используя результаты расчетов на ЭВМ в оптимальных пределах, методами планирования эксперимента
Найдены уравнения регрессии второй степени, адекватно описывающие зависимость производительности гелиосистемы от ряда параметров для климатических условий Ялты, Одессы и Киева.

0Я = 1,063 + 1.920Л + 12,97 V - 0.359А2 - 34,50V2 + 1.650AV;

Q0 = 0,915 + 1,843А + 10,24 V - 0,347А2 - 26,81V2 + 1,210А V; (6.41)

QK = 0,418 + 1,888А + 8,680V - 0.365А2 - 25,71V2 + 2,011А V,

Где А — площадь коллекторов в расчете на 1 чел., м2/чел.; V — объем аккумулятора в расчете на 1 чел., м3/чел.

Эти уравнения при наличии исходных данных, необходимых для экономических расчетов, могут быть использованы для оптимального проектирования УСГВ.

Их недостатком является привязанность к конкретным климатичес­ким условиям, ограничивающим возможную зону применения каж­дого уравнения. Это приводит к необходимости составления большого числа "типичных" годов для различных метеопунктов, расчетов по ним на ЭВМ производительности систем и нахождения новых уравне­ний регрессии, что является достаточно трудоемкой задачей?

Для создания инженерного метода расчета оптимальных параметров систем, использующего минимальный объем климатологической информации, можно преобразовать уравнения (6.41) в уравнения для нахождения КПД систем, разделив члены уравнений на соответствую­щие годовые значения суммарной падающей солнечной радиации в Ялте, Киеве [соответственно дпад = 5,50, 4,78 и 4,55 ГДж/ м2.год ]. При этом явные различия между коэффициентами сглаживаются, и они достаточно близко группируются вокруг некоторых средних значений. Можно показать, что для требуемого уровня надежности существует одно такое уравнение регрессии второй степени, которое с заданной ошибкой позволит вычислить зависимость КПД системы от ее парамет­ров в любом из трех пунктов, а также и в любом другом географичес­ком пункте, метеоданные которого можно отнести к той же генераль­ной совокупности, из которой сделана выборка.

В табл. 6.4 приведены параметры и соответствующие значения КПД системы в метеоусловиях Ялты, Одессы и Киева, вычисленные на ЭВМ; значения, средние между ними, а также значения КПД при тех же

Например, в США известны наименования 26 пунктов, для которых составлены такие "типичные" годы. В КиевЗНИИЭПе на составление такого "типичного" года с тремя метео­параметрами затрачивалось около 3 чел.-мес и 1,5 ч работы ЭВМ.

Параметрах системы, вычисленные по уравнению, полукнному на основе этих данных*:

1 =0,488-0,16L4 + 1,155F + 0,019A2-2,450V2. (6.42)

Как следует из табл. 6.4 максимальное расхождение между значе­ниями КПД, вычисленными на ЭВМ и по формуле (6.42), составляет менее 10 % (абсолютная разность ±0,02).

6.4 Значения КПД систем при различных удельных параметрах

Параметры

4ч, вычисленный на ЭВМ

1, вычис­ленный по формуле (6.42)

А, м^/чел.

У, мЗ/чел.

Ялта

Одесса

Киев

Среднее значение

3 0,25 0,329 0,314 0,303 0,315 0,315

3 0,05 0,233 0,227 0,217 0,225 0,224

1 0,25 0,498 0,478 0,460 0,478 0,478

1 0,05 0,419 0,405 0,389 0,404' 0,401

3 0,15 0,308 0,294 0,284 0,295 0,294

1 0,15 0,482 0,462 0,445 0,463 0,464

2 0,25 0,395 0,377 0,365 0,379 0,378 2 0,05 0,301 0,291 0,28 0,291 0,294 2 0,15 0,375 0,359 0,346 0,36 0,36

Статистический анализ подтверждает, что отклонения значений КПД с заданной надежностью от средних носят случайный характер, и в дальнейшем для расчетов КПД системы с данным схемным решением может быть, по крайней мере для всех пунктов Украинской ССР, использовано одно уравнение (6.42), графики которого повторяют приведенные на рис. 6.8.

Количество выработанного системой за год тепла £>пол находят из выражения

5пол= (6-43)

Используя уравнения (6.42) и (6.43)^ можно, зная удельные капиталь­ные затраты на систему, найти оптимальные значения А01И и voni для конкретных экономических и климатических условий.

Следует помнить, что использование как основы Аопт и voni еще не гарантирует экономическую целесообразность данного решения системы, а только свидетельствует, что остальные решения будут

Тш

При этом следует помнить, что уравнение (6.42), как любое эмпирическое уравнение, имеет ограниченную область адекватного описания. Оно получено для конкретного схем­ного решения системы, конструкции оборудования, определенных ограничений на описа­Ния тепловых процессов, пределов варьирования площади коллектора и бака-аккумуля­Тора.

Рис. 6.9. Зависимость сезонного («) я годового (в) КПД УСГВ от величин А и V

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛО - И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

О? о 40 оо So юо

140 А

А) Ч 0,7 0,6 0,5 О,'Л 0,3 0,2 "I

V-/J

К

V-8

V--J

20 40 60 80 100 120 140 А

Хуже. Для достижения положительного эффекта необходимо, чтобы срок окупаемости УСГВ был меньше нормативного.

(6.44)

Установка солнечного горячего водоснабжения считается экономи­чески целесообразной при выполнении условия, что

Лк ^ £ ■

Где /эк — критерий экономической эффективности установки солнечного горячего водо­снабжения; £ — сезонный или годовой коэффициент полезного действия установки солнечного горячего водоснабжения.

10б(Е +а)К

(6.45)

■'эк

3.6С Г g

Пая

Где Ек — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; а — норма отчисления на покрытие эксплуатационных расходов (при отсутствии нормативных данных принимать в размере 0,1 от капитальных затрат); К — удельные капитальные затраты на установку солнечного горячего водоснабжения, руб/м2 солнечных коллекторов; С — удельная стоимость замещаемой теплоты, руб/ГДж.

При /эк расчет экономической эффективности выполняют по

Действующим методическим и нормативным документам.

Для нахождения годовых и сезонных значений (?Пол и q в зависи­мости of площади солнечных коллекторов А м2/ ГДж - сут и вместимос­ти бака-аккумулятора V м3/ ГДж • сут приходящейся на единицу суточной тепловой нагрузки горячего водоснабжения, можно исполь­зовать номограммы (рис. 6.9).

Упомянутые параметры определяют как

^опт^норм'

(6.46)

А

}V~ ^опт^норм' ^норм есутСр<Тг. в. ~

Значок "л " означает, что величина приведена к единице йЫ-рузки.

При невозможности найти оптимальные значения А и V площадь солнцепоглощающей поверхности рассматриваемых установок с дублирующим источником определяют по формуле

A=oToPJ(?f W' (б-47)

Где Япд j — часовая интенсивность солнечной радиации (плотность теплового потока) с наибольшей за период месячной работы суммарной радиацией.

Коэффициент полезного действия установки £ подсчитывают по формуле

IU[0,S(T + Г ) - Г ] вых вх о

В -------------- г-----------------

(6.48)

«-в, в

V. у 5пад

Где 0,8 — понижающий коэффициент, учитывающий влияние запыпения и затененности.

Объем бака-аккумулятора V определяют по суточным графикам подогрева воды в установке и водопотребления, а при их отсутствии - в зависимости от климатического района по формуле V = (0,06 ... 0,08)а, принимая большее значение для 1У климатического района.

В качестве примера ниже выполнен расчет установки солнечного горячего водоснабжения жилого дома.

Пример 1.

Исходные данные:

Наименование объекта - 50-квартирный жилой дом;

Место строительства — Ялта ( V* = 45° с. ш.);

Дублирующий источник — индивидуальная котельная, с q ном = 0,7 и стоимостью Вырабатываемой теплоты 12 руб/ГДж;

Температура водопроводной воды — 15 °С;

?{в ) = 0,73;

Коллекторы — одностекольные Братского завода отопительного оборудования.

Установка двухконтурная сезонного действия с принудительной циркуляцией и с использованием дублирующего источника теплоты в качестве догревателя (см. рис. 6.6, е).

Выбирают расчетный месяц — июль как месяц с наибольшей суммарной солнечной Радиацией.

Находят площадь солнечных коллекторов по формуле (6.47).

Суточный расход горячей воды принимают по СНиП 2.04.01.-85. G „_ = 17 500 л/сут. (из расчета 3,5 чел. в квартире, 100 л/чел. в сутки); температура Гг в = 50 "С.

£сН5рм=4'19 '17 50°(50 -15) ■1б~6=2>55 гДж/сУт-

Для нахождения Z 9рад ; определяют угол наклона коллекторов _/}=45° - 15° = 30°. По прил. 3 находят: пЙ таблице = 1,04 и по формуле pD = cos2y3 /2 = cos215° = 0,93.

Пример 1.

Исходные данные:

Наименование объекта — 50-квартирный жилой дом;

Место строительства — Ялта ( У= 45° с. ш.);

Дублирующий источник - индивидуальная котельная, с ^иом = М и стоимостью вырабатываемой теплоты 12 руб/ГДж;

Температура водопроводной воды —15 °С;

/'(5) = 0,73;

Коллекторы — одностекольные Братского завода отопительного оборудования.

Установка двухконтурная сезонного действия с принудительной циркуляцией и с использованием дублирующего источника теплоты в качестве догревателя (см. рис. 6.6, е).

Выбирают расчетный месяц — июль как месяц с наибольшей суммарной солнечной радиацией.

Находят площадь солнечных коллекторов по формуле (6.47).

Суточный расход горячей воды принимают по СНиП 2.04.01. — 85. G^ = 17 500 л/сут (из расчета 3,5 чел. в квартире, 100 л/чел. в сутки); температура Гг в = 50 °С.

^норм = 4>1М7 50°(50 - 15) 10_6 = 2>55 ГДж/сут.

Для нахождения Tigопределяют угол наклона коллекторов Р = 45° — 15° = 30°. По прил. 3 находят: по таблице Ps= 1,04 и пс формуле Рр = cos2 fill = cos215 = 0,93.

Г0,°С

Для определения по формуле (6.1) величина <7паД) г - составляют табл. 6.5, в которой величины Is, JD (интенсивность радиации), дпад и Г0 взяты из Справочника по климату СССР.

6.5. Результаты расчета <?пад для суточной работы в июле

Параметры

Часы дня

8... 9

9... 10

10... И

И... 12

12... 13

13... 14

14... 15

15... 16

16... 17

267

394

487

545

568

557

499

441

407

128

162

186

209

209

220

209

197

180

396 '

561

673

761

785

784

713

642

587

24,6

24,9

25,3

25,5

25,5

25,5

25,6

25,5

24,5

Согласно табл. 6J ?<Зпад I = 5902 Вт-ч/м2 = 21,6 МДж/сут; средняя температура Т0 = 25,2°С.

Вычисляем КПД установки по формуле (6.48)

= 0,8 ^ 0,73 -

9-8[0,5(55 + 20) — 25,

?

5902

— | = 0,46,


Площадь определяют по формуле (6.47) А =2,56 (0,46-0,02) = 278 м2.

Подсчитывают суммарный объем баков-аккумуляторов: V» 0,08-278 = 22,3113,

Где 0,08 — принятый удельный объем бака-аккумулятора, м3/м2.

При проектировании можно принять 6 баков типа СТД по 4 м3 каждый. Суммарный объем V = 24 м3.

4. Определяюттодовую выработку установки Qnojr По формуле (6.46) находят: А = 278/2,56 = 108,6 м2/ГДж сез.; V = 24/2,56 = 9,4 м^/ГДж/сеэ. Согласно графику на рис. 6.9 2 = 0,36.

Определяют сумму дпад за сезон работы установки — апрель-октябрь месяцы. Расчет сведен в табл. 6.6. Величины Is и ID для этих месяцев приведены согласно Справочнику по климату СССР, а р и рп взяты по прил. 3.

S>.

Г, 1,1 дпад = 1 096 858 Вт. ч = 3,946 ГДж. По формуле (6.43) находят: Qnon = 278-0,36• 3,946 = 395 ГДж.

Большой объем исследований выполнен для систем со' скоростным теплообменником (см. рис. 6.6, в), которые также нашли широкое применение в практике строительства.

6.6. Результаты расчета Q™- для сезонной работы

Параметры

Месяцы

IV

V

VI

VII

У1П

IX

X

ID, Вт. ч$л? сут) 1868

1995

1682

1682

1531

1322

1111

А, Вт-чЛл? сут) 2285

3561

4095

4095

3654

2981

1612

1,19

1,07

1,02

1,04

1,013

1,3

1,56

2719

3810

4259

4259

4129

3876

2515

^s + 0,93Jd

4456

5666

5823

5823

5593

5106

3626

Число дней в

30

31

30

31

31

30

31

Месяце,!

^Чпад

ИЗ 680

175 646

.169 290

180 513

172143

153 180

112 406

Теплопроизводительностъ такой системы подсчитывают с помощью уравнения

2пол - Wbпол - и(~тх. в ~ то)]; (6.49)

/ - фактор теплообменника, определяют как

А = I1 - £ о + Wa/WBda е о/ fyl" (6.50)

Величина /т показывает, насколько снижается производительность двухконтурной гелиосистемы по сравнению с одноконтурной, в которой подогреваемая вода с тем же расходом направляется непос­редственно в коллекторы.

Для вычисления относительного уменьшения производительности установки, вызванного подачей в коллекторы теплоносителя с

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛО - И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

0,5 1.0 5W0/.VB 0 0,5 1,0 5 W0/WB 0 0,5 1,0 bV/0№t

Рас. 6.10. Графики зависимости величин /т, fa и /ь fa at отношения расходов воды и

= 100;3 - А = 150 м2; 4 - А = 200 М2; 5-А =250 М2; в - Л = 300 М2

Расходом Wj и температурой гвх, вместо подачи холодной воды с Расходом WB и температурой Тх служит выражение

Т - Т Р х. в

Т - Т

Ь<2

(6.51)

- 1.

W

Р вх

Величина Л QIQ определена экспериментально для отношения расходов wywB, изменяющихся от 0,5 до 2,5. Установлено, что при их равенстве влияние теплообменника минимально [3].

(6.52)

(6.53)

•в'-

4 = (Тг. в. - Тх. в)/(Гр - Тх. в>= 1Г - е </т-URUA/WI

Графики величин /т, FR и их произведения, приведенные на рис. 6.10, Объясняют характер изменения производительности системы зависи­мости от расходов теплоносителя и воды.

При wQ < wB, fT=l, ноявляется малой величиной, т. е. причиной малой производительности является не наличие теплообменника, а малый расход теплоносителя через гелиоприемники.

При w0 > wB расход через циркуляционный контур достаточный Од ~1), но начинает сказываться влияние теплообменника {ft <1).

В предельном случае, при достаточно больших площадях коллек­торов и теплообменника, максимально возможное количество тепла, выработанного установкой при данных метеоусловиях, находят из выражения

©тах = *УГр-Тх. в).

А отношение /с = Q/Qmax определит эффективность данного технического решения (так называемый "фактор эффективности системы"). Можно получить несколько записей для его нахождения

W

Оптимальным является равенство расходов теплоносителя и воды, при котором, как следует из графика и уравнения (6.53), обеспечива­ется максимальное значение /с; все остальные соотношения расходов приведут к снижению эффективности системы.

При работе по такой схеме подогрев воды в теплообменнике и теплоносителя в коллекторах может осуществляться либо до заданной температуры с переменными расходами, либо с заданными расходами и переменной температурой. Их различное сочетание позволяет органи­зовать работу в одном из четырех режимов, однако оптимальными будут только те варианты, в которых расходы теплоносителя геолио- контура и воды равны. При этом выражение для /с имеет вид

Fc = (NTU E'0)/(NTU+ е0). (6.54)

Графики, описывающие уравнение (6.54) для различных значений NTU и WQ/Ua, приведены рис. 6.11. Они позволяют определить сочета­ния величин а и fto, обеспечивающих требуемую величину /с.

Выбор одного сочетания из множества подходящих определяется либо заданием одной из этих величин, либо минимальной стоимостью системы.

Найдя величину А из (6.54)

W

T)

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛО - И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

Рис. 6.11. Графики зависимости /с при R ■ 1 (в) и в опт * NTUoТ 01 комплекса С = -Кк/Кю (б)

А---- ~~ lnCf^+NTU-1), (6.55)

Можно продифференцировав, определить оптимальное значение NTUoni, при котором суммарная стоимость коллекторов и теплообменника минимальна, т. е. СА + CI0 = Cmin. Для этого, вычислив гр> По ПЛ0ХН0сти

Теплового потока солнечной радиации, соответствующей заданному уровню надежности, находят /с. Подставляя NTUoni в (6.54), найдем

Е опт-

Для нахождения по е да1 и NTUoni оптимальных величин А и FT0

Необходимо соотнести их через требуемую теплопроизводительность системы с расходом в контурах:

(6.56)

Норм

/ (Г - Г ) с р Х. В.

Зная 5опт- fc> и>w)определяют аот, а также f .

На основании изложенных зависимостей составлены алгоритм и Программа для расчета производительности гелиосистемы, работающей по такой схеме с постоянной температурой отбора подогреваемой воды И переменными расходами.

Результаты расчета производительности системы в эксплуатацион­ном режиме приведены в табл. 6.7.

Месяцы

<2пад> ГДж/м2-мес

Чпад, ГДж/м2-мес

Киев

Ялта

Киев

Ялта

Киев

Ялта

6.7. Результаты расчетных исследований

Май

Июнь

Июль

Август

Сентябрь

Сезон

0,57

0,591

0,633

0,574

0,448

2.81L

0,599

0,62

0,7

0,679

0,574

3,172

0,23

0,247

0,293

0,264

0,176

1,215

0,243 0,285 0,402 0,385 0,281 1,592

0,568 0,646 0,739 0,663 0,447 0,617

0,584 0,692 0,935 0,829 0,68 0,756

При проведении расчетов без использования ЭВМ в качестве расчет­ных для установок без дублера принимают данные месяца с наимень­шей суммарной солнечной радиацией за период работы.

Площадь солнцепоглощающей поверхности коллекторов установки без дублеров определяют по формуле

A-G^Fe>> • (б-5?)

Где G^ — суточный расход горячей воды в системе горячего водоснабжения, кг (прини­мается по СНиП 2.04.01—85);gj - часовая производительность установки, отнесенная к 1 м2 поверхности солнечного коллектора, кг/м2; j — расчетные часы работы установки.

При неравномерном потреблении горячей воды по месяцам в уста­новках без дублеров расчет площади солнечных коллекторов следует выполнять по суточному расходу горячей воды каждого месяца и принимать наибольшую из полученных площадей.

Gr-

(6.59)

Часовая производительность установки gj, определяется по формуле 0,86 Uf'

(6.58)

Ln(TD-Tnx)/(T.T)

Где U — приведенный коэффициент теплопередачи солнечного коллектора, Вт/См2. °С); Гв ?вых — температура теплоносителя соответственно на входе и выходе солнечного коллек­Тора, °С.

Температура на выходе Т = Т 4- S °г

Вых г. в > где Гг в — требуемая температура горячей воды.

(6.60)

Температура на входе

Т = Г + 5 °с ЛВх

Где Тх в — температура холодной воды.

В одноконтурных системах гвх = тх в; твых « ттл. Равновесную температуру каждого часа т определяют по формуле (6.17):

Примф2.

Необходимо выполнить расчет системы солнечного горячего водоснабжения сезонного Действия, обслуживающей спальный корпус базы отдыха на 300 мест в Ялте.

Коллекторы — одностекольные Братского завода отопительного оборудования, ориента­ция — 30° на юго-восток, температура холодной воды Гх = 15 °С.

В соответствии с прил. 2 — система сезонная без дублирования. В качестве расчетного месяца выбран октябрь. Расчет ведут п6 ясному дню. Температуру наружного воздуха и интенсивность (плотность) поглощенного теплового потока солнечной радиации для этого месяца берут из Справочника по климату СССР для южной ориентации (табл. 6.8).

Для расчета площади коллекторов находят по СНиП 2.04.01-85 нагрузку горячего водоснабжения: G,V. = 70 л/(чел. сут) 300 = 21 000 кг/сут. Для умывальников и душей используют воду температурой 45 °С.

Величину Ijy определяют по формуле (6.17), gj - по формуле (6.58), в которой Твых

= 45 + 5 = 50 °С, а Гвх = 15 + 5 = 20 °С.

6.8. Расчетные данные для системы солнечного горячего водоснабжения

Параметры

8... 9

9 ... 10

10... И

И... 12

12... 13

13... 14

14... 15

15... 16

16 ...17

Js, Вт/м2 ID, Вт/м2 Т0, ОС

4i ej

206 39 14

45,3

411 77 16

78,2 9,5

448

80 16,6 84,1 10,7

475 83 17

88,4 11,7

494 84 17

91,2 13

428 78 17,2 87,7 10,7

316 68 17,1

65,5 6,4

181 56 16,9 45,8

91 42 16,4

32

Л

Итого, удельная выработка за день составляет 62 кг/(м.

Сут). Потребную площадь

Находят по формуле (6.57): А = 21 000/62 = 388 м2.

С учетом ориентации это значение необходимо увеличить иа 10 % (см. гл. 6.1): А = 388 «1,1 = 427 м2.

(6.61)

(6.62)

Для расчета систем с естественной циркуляцией существуют два различных метода моделирования. Первый состоит в определении массового расхода воды на основании расчета перепада давления в системе с учетом или без учета фактических распределений температур (и плотностей) в теплообменнике и баке-аккумуляторе. Второй предпо­лагает более простую модель процесса, в которой принимается постоян­ное повышение температуры воды в коллекторе, например, на 10 °С, и определяется расход воды, соответствующий данному перепаду Л т. В книге [1] приведено соответствующее выражение:

U

-

1 Ь - ^(Гг. в ~ Гх. в)/[9погп - U{TBX - Г0)]}

Раскладывая знаменатель в ряд с учетом единиц измерения входя­щих величин, можно получить следующую приближенную формулу для инженерных расчетов часовой производительности установки с естественной циркуляцией теплоносителя, по которой в соответствии с (6.61) определяют и потребную площадь коллекторов:

0,8б[ В Q - и(т - г )] Пад] вх,] о, J

(6.63)

I = 1 + 5V/[ В G -U(T . - Г )] Пад вх, ] о, J

В одноконтурных установках температуру на входе гвх опреде­ляют по формуле

TBx, rTBX, i-l + 10"VF'

Где У — удельный объем бака-аккумулятора (объем бака на 1 м2 площади солнечного коллектора) принимается соответственно равным для климатических районов: 11—0,06; III—0,07 и 1У-0.08 м3/м2.

В двухконтурных установках температуру воды на входе прини­мают на 5 °С выше определенной по формуле (6.63).

В первый час работы установки температуру на входе принимают равной температуре воды в баке-аккумуляторе.

Пример 3. Необходимо выполнить расчет одноконтурной установки с естественной циркуляцией для 3-комнатного жилого дома на 4 жителя в Ялте. Исходные условия — см. пример 2.

Расход горячей воды по СНиП 2.04.01—85 — 100 кг/сут на одного жителя.

По метеоданным примера 2 вычисляют производительность установки по соот­ветствующим формулам. При V = 0,08 м^/м2 конечное значение температуры нагретой воды достигает 42 °С, что ниже нормируемой СНиПом. Поэтому для увеличения темпера-

5 о

Туры нагрева воды объем бака уменьшают до 0,55 м /м, вследствие чего получают необходимую температуру горячей воды Гг в = 50,4 °С. Расчетные данные сводят в табл. 6.9.

После 15 ч начинается вынос теплоты (Гр "С ТНОрМ), поэтому расчет следует прекра­тить. Общая выработка теплоты установкой — 55 кг/(м2.сут).

Площадь коллекторов определяют следующим образом:

А = 100 -4/55 = 7,3 м2.

6.9. Расчетные данные для одноконтурной установки солнечного горячею водоснабжения

Параметры

Часы работы

8... 9

9 ... 10

10... И

И... 12

12... 13

13... 14

14... 15

15... 16

16... 17

"Зпогл, i Вт/м2 275 488 528 558 578 506 484 237 133 TBXj ОЙ 15 18,2 25,1 31,9 38,4 44 48,8 50,4

Gj, кг/(м2«ч) 17,8 38,2 37,6 35,7 33,3 23,4 8,8 -

СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

Испытания солнечного коллектора — какую мощность выдают вакуумные трубки?

Сегодня, 26.04.2015 года мы провели такие испытания солнечных вакуумных трубок: Исходные материалы: - Солнечный вакуумные трубки 58мм на 1800мм, 47мм внутренний диаметр - 8шт. - Нержавеющая гофрированная сталь 15мм, подробнее …

ПУТИ РАЗВИТИЯ ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ ССТ

В перспективе наряду со сложившейся в ССТ практикой проектиро­вания и строительства отдельных жилых и общественных зданий с ССТ, использование которых наиболее эффективно в сельской мест­ности, все большее развитие будут получать …

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ССТ

Для дальнейшего совершенствования и развития ССТ представляет большой интерес изучение тенденций и направленности творческой мысли исследователей и изобретателей в СССР и за рубежом в части разработки конструкций и схемных решений …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.