СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПАССИВНЫХ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Как было показано в главе 5, пассивные системы солнечного отоп­ления основаны на применении архитектурных и конструктивных решений, которые повышают степень использования солнечной радиа­ции, поступающей на поверхности зданий, или снижают тепловые потери, без применения специального гелиотехнического оборудова­ния. Простейшим видом пассивной системы солнечного отопления, применяемой в отечественной практике, можно считать обычную систему водяного отопления с пофасадным автоматическим регулиро­ванием расхода теплоты.

Снижение расхода топлива на отопление зданий в этих системах достигается за счет автоматического отключения или уменьшения подачи теплоты в зону здания, нагреваемую солнечными лучами. Поступление теплоты в здания от солнечной радиации осуществляется прямым путем (через остекленные поверхности) и косвенным (вследст­вие нагрева наружных стен). Приход инсоляционной теплоты в здания в каждый момент времени можно представить как векторную сумму быстрых теплопоступлений (через окна) и медленных теплопоступле­ний (через теплоемкие ограждения). Быстрые теплопоступления

Обусловлены в основном непосредственным проникновением коротко­волнового излучения через оконные заполнения, медленные - радиа­ционным нагревом наружных поверхностей стен.

Показатели интенсивности солнечной радиации на вертикальные поверхности иллюстрируют рис. 7.3 и 7.4. Из рис. 7.3 видно, что в переходный период отопительного сезона в северных широтах (70° и 60°) интенсивность радиации, приходящейся на вертикальные поверх­ности, ориентированные на юг, может превышать интенсивность радиа­ции на те же поверхности в более южных широтах. В связи с этим учет солнечной радиации при автоматическом регулировании отопления зданий имеет немаловажное значение и для высоких широт.

Необходимо также учесть, что в весеннее время года, как правило, резко возрастает число безоблачных дней и продолжительность солнеч - ной радиации (табл. 7.1).

Число солнечных дней 8 " 10 5 7 11 20 25

Среднесуточное число 3,5' 2 1,8 2,5 4,9 5,25 6,4 часов прямой солнеч­ной радиации

Количество теплоты, проникающей в отапливаемое помещение в момент времени может быть определено из выражения:

<?инс. б( * >=<?„орм( r )cos * (7-9)

*п = (7Л°)

Где <?норм( 7 ) — интенсивность солнечной радиации, приходящейся на нормальную к направлению лучей поверхность, Вт/м2; Cos В ( 2") — косинус угла между направлением луча и нормалью к поверхности; F0 — поверхность остекления, м2; Кп — общий коэффици­ент пропускания; К^ — коэффициент пропускания солнечной радиации стеклом; К2 — коэффициент загрязнения остекленной поверхности; Kj — коэффициент затенения перепле­том; — коэффициент, характеризующий уменьшение количества пропускаемых стеклом лучей в зависимости от угла падения.

Режим быстрых теплопоступлений в первом приближении можно рассматривать как прерывистую теплоподачу (рис.7.5), продолжитель­ность которой определяется временем облучения, а величина - среднеинтегральной интенсивностью инсоляции через окна за время облучения:

Wcp = 2 <?инс. б( f) Л Г/гобл, (7.11)

Где Г^ - период облучения; &Т — отрезок времени, соответствующий<7инс. б( ^)•

Аппроксимируя режим теплопоступлений в виде прерывистой теплоподачи, повышение внутренней температуры, обусловленное влиянием солнечной радиации, представляется возможным рассчитать по формулам, предложенным A. M. Шиловером [8]. Эти формулы позво­ляют определить: среднесуточный прирост внутренней температуры, максимальное - повышение температуры к концу периода облучения и минимальное повышение температуры (к моменту начала облучения через окна).

Более строгое описание динамики теплопоступлений через окна достигается при их аппроксимации сплайнами [1] (рис. 7.6). Правая часть уравнениях( Z ) = <?инс-б( £) Аппроксимируется полиномом вида:

H ДдгЬ^ВД Г —(I — L)H; (7.12)

О, Ј<o

? = h2, 0 h - Tlh2 + 2/h,h $ Г< 2h 0,

Где H — шаг измерений (в данном примере H = 2 ч), п — число измерений, Bi( X ) — сплайн первой степени.

Из рисунка видно, что исходная и аппроксимирующая кривые близки друг к другу. Следует также иметь в виду, что законы управле­ния, основанные на представлении возмущающих воздействий сплай­нами, легко реализуются в системах автоматического регулирования с простейшей микропроцессорной техникой.

Влияние медленных теплопоступлений на температурный режим помещений может быть оценено отысканием эквивалентной температу­ры солнечного облучения. Последнюю определяют по формуле

' q ( Г )cos В (T)J)

(7.14)

Где J> — коэффициент поглощения солнечных лучей наружной поверхностью ограждения;

Н — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности.

Принимая во внимание, что суточные колебания температуры на наружной поверхности ограждения практически затухают в его толще, при определении влияния медленных теплопоступлений на темпера­турный режим помещения представляется возможным учитывать усредненное количество поступившей за сутки теплоты, а процесс рассматривать как стационарный.

Таким образом, усредненное значение t3KB определяют из выраж" ния: т

1%ноОМ(Псо50(Т)-£— (7.15)

Экв ср

Суммарный прирост внутренней температуры, обусловленный быстрыми и медленными поступлениями теплоты в результате дейст­вия солнечной радиации (табл. 7.2), можно рассчитать как

(7.16)

Где A fg( f ) — повышение внутренней температуры, обусловленное проникновением солнечных лучей через окна; ¥ — коэффициент "медленных" тепловых потерь, характе­ризующий отношение тепловых потерь через теплоемкие ограждения к общим потерям тепла.

Нагрев помещений за счет инсоляции через окна происходит практи­чески безынерционно. Для стабилизации внутренней температуры в этих условиях необходимо иметь возможность синхронного уменьше­ния теплоотдачи отопительных приборов.

Динамические характеристики отопительных приборов (при их остывании в условиях отключения) можно представить в первом приближении как апериодическое звено первого порядка.

Инерционность прибора в этом случае однозначно определяется его постоянной времени [7], а именно:

Постоянная времени, ч

Радиаторы стальные.......................................................... 0,06 ... 0,11

Конвекторы стальные....................................................... 0,19 ... 0,62

Радиаторы чугунные........................................................................ 0,88 ... 1,32

Стеновые греющие панели................................................... 1,5... 3

Из приведенных данных видно, что наименьшей инерционностью обладают стальные радиаторы и конвекторы. Наибольшая инерцион­ность - у стеновых греющих панелей. Отсюда следует, что для эффек­тивного учета солнечной радиации при пофасадном автоматическом регулировании следует применять системы со стальными радиаторами либо конвекторами. Пофасадные системы со стеновыми греющими панелями в этом случае малопригодны.

Сказанное иллюстрируется рис. 7.7, на котором приведены показа­тели теплового режима крупнопанельного жилого здания в Челябин­ске, оснащенного панельной бифилярной системой отопления с пофа - садным автоматическим регулированием. Из рисунка видно, что в периоды облучения имело место практически полное прекращение

622—14

О <t 8 1216202k 4 8 12 162024 4 8 12162024 4 8 12162024 10.02.82 11.02.82 12 02.82 13.02.82

Рис. 7.7. Показатели теплового режима здания, оборудованного бифилярной системой отопления с автоматическим пофасадным регулированием

А — температуры наружного воздуха и скорости ветра; б — тепловая энергия, поступающая в помещение через окна от солнечной радиации; в — температура воздуха в помещениях; Г — температура теплоносителя; д — расходы воды; е — расходы тепловой энергии; 1 — температура наружного воздуха; 2 — скорость и направление ветра; 3 — поступление тепла за счет солнечной радиации по южному фасаду; 4 — то же, по северному; 5 — температура внутреннего воздуха в помещениях, ориентированных на юг; 6 — то же, на север; 7 — температура воды, поступающей в систему отопления; 8 — температура обратной воды южного фасада; 9 — то же, северного; 10 — расход воды южного фасада; 11 — то же, север­ного; 12 — расход тепла на отопление южного фасада; 13 — то же, северного

Подачи воды в ветку системы отопления южного фасада. Экономия тепла за счет пофасадного автоматического регулирования составила, по данным В. П. Туркина, более 17 % за отопительный период. Вместе-с тем из-за значительной тепловой инерционности греющих стеновых панелей система отопления была не в состоянии своевременно компен­сировать возмущения, вносимые солнечной радиацией: в помещениях южной ориентации наблюдалось в периоды облучения заметное повы­шение температуры воздуха.

Как показано в [1], пофасадное автоматическое регулирование можно осуществлять по отклонению внутренней температуры, по возмущению, путем комбинирования обоих принципов. Регулирование по отклонению осуществлено, в частности, в системе, разработанной Челябинским политехническим институтом совместно с институтом Челябинскгражданпроект.

Датчики температуры устанавливают в жилых помещениях. Их общее число зависит от числа комнат, расположенных вдоль данного фасада (в реальных проектах закладывалось до 12 датчиков). Датчики - полупроводниковые, соединены последовательно. Сигналы от них поступают на электронный регулятор, приводящий в действие регулирующий орган роторного типа. Управление отпуском тепла - трехступенчатое (рис. 7.8): I ступень - на теплоэлектроцентрали, И - в групповом (центральном) тепловом пункте, III - в абонентском вводе (местном тепловом пункте).

Как видно и рисунка, количественное пофасадное регулирование по отклонению, реализованное в рассматриваемой схеме и учитывающее, влияние солнечной радиации и ветра, дополняет и корректирует автоматическое регулирование на предыдущей ступени, осуществляе­мое по возмущению (изменению температуры наружного воздуха).

Система пофасадного регулирования по возмущению разработана Физико-энергетическим институтом АН Латвийской ССР. Комплексный учет наружных тепловых воздействий (температуры наружного возду­ха, скорости ветра, интенсивности солнечной радиации) осуществля­ется специальным датчиком, созданным этим институтом. В зависи­мости от сигнала, поступающего от датчика, в системе отопления поддерживается соответствующая температура теплоносителя. Регули­рование - импульсное с помощью электромагнитного клапана.

Рассматриваемая система прошла длительную эксплуатационную проверку в ряде жилых домов г. Риги.

На рис. 7.9 показана схема системы автоматического пофасадного регулирования отопления зданий с использованием водоструйных насосов (элеваторов) с подвижной иглой, управляемых регуляторами "Электроника Р-5". На основе указанной схемы ВНИИГСом совместно с ЦНИИЭП инженерного оборудования разработаны конструкции автома­тизированных тепловых пунктов в агрегатном исполнении полной заводской готовности.

Выше рассмотрены пассивные системы, в которых технические средства для автоматического регулирования поступлений солнечной теплоты в здание отсутствуют, а поддержание заданных температур­ных параметров в помещении осуществляется изменением подачи тепла только от дублирующего источника. Однако существуют вариан­ты пассивной системы солнечного отопления (стена Тромба-Мишеля,

Ряс. 7.10. Принципиальная техно­логическая схема автоматического регулирования пассивной системы солнечного отопления (стена Тромба—Мишеля) с дублирую­щим источником (электронагрева­тельным прибором) 1 — массивная стена; 2 — остекле­ние; 3 - регулирующие воздуш­ные заслонки клапаны; 4 — Воздушная прослойка; 5 — отапли­ваемое помещение; 6 — датчики; 7 — аккумуляционный прибор с Вентилятором

См. гл. 5), автоматическое регулирование параметров в которой осу­ществляется как изменением, количества поступающей солнечной энергии, так и изменением теплопроизводительности дублирующего источника [9] (рис. 7.10)

В этой системе массивная стена с темной поглощающей поверхнос­тью защищена снаружи остеклением. На уровне пола и потолка имеют­ся отверстия для входа и выхода воздуха, оборудованные воздуш­ными заслонками. Солнечная радиация поглощается поверхностью стены, которая нагревается и в свою очередь нагревает воздух в Прослойке между остеклением и стеной. Нагретый воздух поступает в Отапливаемое помещение через верхнее отверстие, охлаждается и Возвращается в прослойку через нижнее отверстие. Таким образом в Системе осуществляется термосифонная циркуляция.

Подача теплоносителя от дублирующего источника изменяется с помощью регулирующего клапана, управление которым, а также воздушной заслонкой осуществляется регулятором, на который поступают управляющие воздействия от датчиков, установленных в Прослойке и отапливаемом помещении.

Алгоритм работы регулятора предусматривает решение следующих задач:

Поддержание температуры воздуха в отапливаемом помещении; минимизацию потерь теплоты, вносимой солнечной радиацией при проникновении солнечных лучей через остекление, поглощении и аккумулировании солнечных лучей стеной, рассеивании запасенной энергии в атмосферу в периоды отсутствия солнечного облучения;

Минимизацию затрат топлива на работу дублирующего источника, за счет максимально возможного использования теплоты, вносимой солнечной радиацией.

Система автоматического регулирования работает следующим образом. При увеличении интенсивности солнечной радиации воздух в прослойке между остеклением и стеной нагревается. Когда темпера­тура в прослойке, измеряемая датчиком, превысит температуру в помещении, замеряемую другим датчиком, T.E.Tg > T9+ Лв, воздушные заслонки открываются и нагретый солнцем воздух начинает циркули­ровать в помещении. Как только температура в прослойке упадет ниже температуры в помещении на величину Л в, заслонки автоматически закрываются. Если при этом температура в помещении будет продол­жать понижаться и упадет ниже заданной (комфортной) T9 < (зад (где (зад - заданная температура), включается вентилятор электротеплово - го аккумуляционного прибора (ЭТАП), который прогоняет воздух помещения через прибор ЭТАП и нагревает его.

Аккумуляционный прибор заряжается в ночные часы, в периоды провала графика электрической нагрузки и отпуска электроэнергии по льготному тарифу.