Учебники 80362
.pdf71
Для удобства обслуживания, ремонта и наращивания при необходимости мощности кассеты аккумулятора теплоты или холода монтируются съемными, и они объединяются в подающий и обратный коллекторы. Аккумулятор имеет эластичную внутреннюю оболочку с упругой теплоизоляцией, воспринимающую изменения объема аккумулирующего вещества при фазовом переходе.
Основное достоинство кассетного теплообменника – простота его изготовления и изменения объема под нужды заказчика. Изготовление змеевика из тонкостенных гофрированных труб не требует сварки или трубогибочных станков. Подсоединение к коллекторам происходит через готовые заводские фитинги. Другое важное преимущество состоит в том, что емкость с водой или с каким-либо другим веществом, в которую погружается теплообменник, является безнапорной и может быть выполнена даже в строительных конст-
рукциях [79, 109].
Учитывая, что пластинчатые теплообменники могут также эффективно
использоваться для хранения энергии [90] следует часть образованного плаРисунок 4.7. Аккумулятор теплоты: 1 – корпус; 2 – теплоизоляция; 3 – стинами пространства заполнить аккумулирующим веществом. Повысить эластичная оболочка; 4 – аккумулирующая среда; 5 – ка - холодопроизводительность хранения можно увеличивая толщину пластин, сета; 6 – металлический сетчатый каркас; 7 – коллектор; 8
заполненных аккумулирующим веществом.
– гофрированная труба
4.4. Повышение эффективности систем солнечного охлаждения
Основным процессом солнечного охлаждения на современном этапе является абсорбция. Главная задача производителей - сделать рентабельными установки, поглощающие хладагент, в малом диапазоне мощностей, так как создание компактных и энергоемких аккумуляторов позволит увеличить стабильность охлаждающих систем. Внедрение таких кондиционеров тормозится из-за относительно высокой стоимости и ограниченной области их применения. Однако эти недостатки в дальнейшем могут быть с успехом устранены, в том числе и посредством применения нано-технологий.
Несмотря на то, что наибольшее распространение для использования альтернативных источников энергии получили абсорбционные холодильные машины, уже сейчас разрабатывается адсорбционная холодильная техника с твердым поглощающим веществом, которая имеет ряд преимуществ, одно из них это компактность конструкций. Так, например, чиллер Sortech S 05 (ACS 05) [79] основан на адсорбционном процессе с рабочей парой веществ сили- кагель-вода.
Перед инженерами и конструкторами стоит актуальная задача совершенствования процессов преобразования и использования солнечной энергии, как за счет самих холодильных установок, так и за счет тепловых масси-
72
вов устройств улавливания радиации. В этой области приоритетным является, в том числе, и снижение стоимости оборудования посредством сокращения расхода материалов на производство и получения эффекта масштабности использования, что, в свою очередь, окажет существенное влияние на рентабельность оборудования.
Глава 6. Методы расчета и проектирования установок солнечного теплоснабжения
6.1.Оценка располагаемого количества солнечной энергии при проектировании систем теплоснабжения для различных климатических условий
Плотность потока солнечной радиации у верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную перпендикулярно направлению солнечных лучей, равна I 0 =1,353 кВт/м2 (солнечная постоянная), при этом среднее ко-
личество энергии, поступающей за 1 ч на 1м2 этой поверхности, составляет Q0 =4,871 МДж/(м2 ч) [11]. Сквозь толщу атмосферы проникнет только часть
солнечного спектра, интенсивность которого определяется широтой местности, временем года и долготой дня, поэтому энергооблученность объектов в разных климатических зонах будет существенно отличаться.
Как отмечалось ранее, в системах солнечного теплоснабжения обычно используются плоские тепловые коллекторы, устанавливаемые в наклонном положении. Чтобы правильно подобрать устройства и выполнить их расчеты, необходимо знать величину солнечной радиации, попадающей на поглощающую панель абсорберов. Среднемесячное дневное количество суммарной солнечной энергии, МДж/(м2 день), поступающей на наклонную поверхность, можно определить по выражению [11]
|
|
|
|
|
|
|
EK R E , |
(6.1) |
где E - среднемесячное дневное количество суммарного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, МДж/(м2 день); R отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности.
Для наклонной поверхности с южной ориентацией отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации можно вычислить по зависимости [11]
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 cos |
|
|
|
|
|
|
|
1 cos |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е Д |
|
|
|
|
||||||||
R |
|
|
|
E Д |
|
|
|
|
|
, |
(6.2) |
||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
RП |
2 |
|
|
|
|
|
2 |
||||||||
|
Е |
|
Е |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Е Д среднемесячное дневное количество диффузной (рассеянной) солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность,
73
МДж/(м2 день); RП коэффициент пересчета прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность; угол наклона плоского солнечного коллектора к горизонту, град; коэффициент отражения для подстилающей поверхности Земли, который принимается для теплого периода =0,2, а для холодного при наличии снежного покрова =0,7.
Среднемесячная величина коэффициента R П может быть определена в соответствии с рис. 6.1 или по формуле [11]
|
|
|
|
cos cos sin '3 |
|
|
|
'3 sin |
sin |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
180 |
|
||||||||||
|
|
RП |
|
|
|
|
|
|
|
, |
(6.3) |
|||
|
|
cos cos sin 3 |
sin sin |
|
|
3 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
180 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
- широта местности, град; - склонение солнца, град; 3 |
и '3 - ча- |
совые углы захода солнца на горизонтальной и наклонной поверхностях, град.
На рис. 6.2 показаны основные углы, используемые в формулах.
Рис. 6.1. Зависимость среднемесячного коэффициента пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной плоскости на поверхность коллектора от широты местности для I-XII месяцев года
Угол склонения солнца в данный день n равен
74
|
284 n |
|
|
23,45sin 360 |
|
. |
(6.4) |
|
|||
|
365 |
|
Для среднего дня каждого месяца величина указана в табл. 6.1. Часовой угол захода (восхода) солнца для поверхности составляет:
при горизонтальном ее размещении
|
|
|
3 |
arccos tg tg , |
|
|
|
|
|
|
(6.5) |
||||
|
при наклонном |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
'3 |
min 3 , arccos tg tg . |
|
|
|
(6.6) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6.1 |
|||
|
Угол склонения Солнца в средний день I-XII месяцев |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Месяцы |
|
I |
II |
|
III |
IV |
V |
VI |
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
|
XII |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, град |
-20,9 |
-13 |
|
-2,4 |
9,4 |
18,8 |
23,1 |
21,2 |
13,5 |
2,2 |
-9,6 |
-18,9 |
|
-23 |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
б |
Рис. 6.2. Углы, характеризующие положение |
точки на земной |
поверхности (а) и наклонной (б) поверхности коллектора солнечной энергии (КСЭ) относительно солнечных лучей: - широта местности; - часовой угол; - для I-XII месяцев года; l – угол падения лучей на наклонную поверхность коллектора; - угол высоты солнца; аС - азимут солнца; аН – азимут наклонной поверхности
75
В качестве часового угла захода солнца для наклонной поверхности '3 принимается меньшая из двух величин, указанных в фигурных скобках.
Значения среднемесячных величин Å , Å Ä , коэффициента ясности атмосферы К Я и температуры наружного воздуха ТВ для некоторых городов приведены в табл. 6.2. Значения коэффициента RÏ для поверхности с углом наклона , равным широте местности южной ориентации (азимут аН=0) и юго-восточной или юго-западной ориентации (аН=15 и 30°), приведены в табл. 6.3.
86
Таблица 6.2 Среднемесячное суточное поступление суммарной Е и диффузной ЕД солнечной радиации, МДж/(м2 день), на горизонтальную поверхность, коэффициент ясности атмосферы КЯ и температура наружного воздуха ТВ, оС
|
Климатические |
|
|
|
|
|
|
Месяцы года |
|
|
|
|
|
||
|
параметры |
I |
II |
III |
IV |
|
V |
VI |
|
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
XII |
|
|
|
|
|
|
|
Сочи (44 о с.ш.) |
|
|
|
|
|
|
||
|
Е |
6,34 |
9,24 |
12,01 |
16,54 |
|
20,52 |
22,66 |
|
23,62 |
20,79 |
16,96 |
11,20 |
6,67 |
5,13 |
|
ЕД |
3,64 |
5,21 |
6,21 |
6,95 |
|
8,1 |
7,78 |
|
6,88 |
6,34 |
5,28 |
4,18 |
3,34 |
2,7 |
|
КЯ |
0,49 |
0,51 |
0,47 |
0,49 |
|
0,53 |
0,55 |
|
0,59 |
0,59 |
0,60 |
0,56 |
0,47 |
0,44 |
|
ТВ |
5,9 |
6,1 |
8,2 |
11,7 |
|
16,1 |
19,9 |
|
22,8 |
23,1 |
19,9 |
15,7 |
11,7 |
8,2 |
|
|
|
|
|
|
Астрахань (48 о с.ш.) |
|
|
|
|
|
||||
86 |
Е |
4,05 |
6,26 |
10,8 |
15,84 |
|
20,25 |
23,07 |
|
23,62 |
20,11 |
14,73 |
9,18 |
4,03 |
2,70 |
ЕД |
2,56 |
3,87 |
5,8 |
8,48 |
|
9,18 |
10,0 |
|
9,04 |
7,83 |
5,98 |
4,32 |
2,36 |
1,83 |
|
|
КЯ |
0,37 |
0,39 |
0,45 |
0,49 |
|
0,53 |
0,56 |
|
0,59 |
0,58 |
0,55 |
0,50 |
0,34 |
0,29 |
|
ТВ |
-6,7 |
-5,6 |
0,4 |
9,9 |
|
18,0 |
22,8 |
|
25,3 |
23,6 |
17,3 |
9,6 |
2,4 |
-3,2 |
|
|
|
|
|
|
Волгоград (49 о с.ш.) |
|
|
|
|
|
||||
|
Е |
3,10 |
5,36 |
9,72 |
13,9 |
|
18,76 |
21,82 |
|
20,53 |
17,28 |
12,65 |
7,29 |
2,92 |
2,16 |
|
ЕД |
2,29 |
3,43 |
5,53 |
7,51 |
|
9,18 |
10,0 |
|
9,45 |
7,69 |
5,84 |
3,91 |
2,08 |
1,62 |
|
КЯ |
0,35 |
0,39 |
0,44 |
0,45 |
|
0,49 |
0,53 |
|
0,52 |
0,51 |
0,50 |
0,45 |
0,29 |
0,3 |
|
ТВ |
-7,6 |
-7,0 |
-1,0 |
10,0 |
|
16,7 |
21,3 |
|
23,6 |
22,1 |
16,0 |
8,0 |
-0,6 |
-4,2 |
|
|
|
|
|
|
Москва (56 о с.ш.) |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Е |
1,89 |
4,47 |
9,31 |
13,34 |
|
18,63 |
19,74 |
|
19,17 |
15,12 |
10,0 |
4,86 |
2,22 |
1,35 |
|
ЕД |
1,75 |
3,28 |
5,94 |
7,51 |
|
8,31 |
9,73 |
|
10,26 |
8,1 |
6,12 |
3,24 |
1,53 |
1,08 |
|
КЯ |
0,33 |
0,40 |
0,49 |
0,46 |
|
0,50 |
0,48 |
|
0,49 |
0,47 |
0,42 |
0,37 |
0,33 |
0,31 |
|
ТВ |
-10,2 |
-9,2 |
-4,3 |
4,4 |
|
11,9 |
16,0 |
|
18,1 |
16,3 |
10,7 |
4,3 |
-1,9 |
-7,3 |
87
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6.3 |
|
|
Коэффициент пересчета прямой солнечной радиации RП |
при различных азимутах поверхности аН |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Широта, |
|
|
|
|
|
|
Месяцы года |
|
|
|
|
|
||
|
град. |
I |
II |
III |
IV |
V |
|
VI |
|
VII |
VIII |
IX |
X |
XI |
XII |
|
|
|
|
|
|
|
аН=0 |
|
|
|
|
|
|
||
|
35 |
1,91 |
1,59 |
1,28 |
1,03 |
0,87 |
|
0,81 |
|
0,83 |
0,96 |
1,17 |
1,48 |
1,84 |
2,02 |
|
49 |
2,26 |
1,79 |
1,38 |
1,06 |
0,88 |
|
0,80 |
|
0,83 |
0,98 |
1,24 |
1,64 |
2,12 |
2,42 |
|
45 |
2,76 |
2,07 |
1,51 |
1,11 |
0,89 |
|
0,80 |
|
0,84 |
1,01 |
1,33 |
1,86 |
2,55 |
3,02 |
|
50 |
3,55 |
2,48 |
1,68 |
1,17 |
0,90 |
|
0,81 |
|
0,85 |
1,04 |
1,45 |
2,16 |
3,20 |
4,00 |
|
55 |
4,94 |
3,06 |
1,92 |
1,25 |
0,93 |
|
0,81 |
|
0,86 |
1,09 |
1,60 |
2,60 |
4,30 |
5,85 |
|
60 |
7,95 |
4,03 |
2,25 |
1,34 |
0,95 |
|
0,82 |
|
0,87 |
1,15 |
1,61 |
3,28 |
6,44 |
10,48 |
|
|
|
|
|
|
|
аН=15о |
|
|
|
|
|
|
||
87 |
35 |
1,87 |
1,56 |
1,27 |
1,03 |
0,88 |
|
0,82 |
|
0,84 |
0,96 |
1,17 |
1,43 |
1,78 |
1,98 |
49 |
2,21 |
1,76 |
1,37 |
1,07 |
0,88 |
|
0,81 |
|
0,84 |
0,98 |
1,24 |
1,61 |
2,07 |
2,36 |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
45 |
2,69 |
2,02 |
1,49 |
1,11 |
0,90 |
|
0,81 |
|
0,85 |
1,01 |
1,33 |
1,82 |
2,49 |
2,94 |
|
50 |
3,45 |
2,40 |
1,66 |
1,17 |
0,91 |
|
0,82 |
|
0,86 |
1,05 |
1,44 |
2,11 |
3,12 |
3,82 |
|
55 |
4,79 |
2,97 |
1,88 |
1,25 |
0,93 |
|
0,82 |
|
0,87 |
1,10 |
1,58 |
2,53 |
4,17 |
5,67 |
|
60 |
7,69 |
3,91 |
2,20 |
1,34 |
0,96 |
|
0,83 |
|
0,88 |
1,16 |
1,80 |
3,18 |
6,24 |
10,15 |
|
|
|
|
|
|
|
аН=30о |
|
|
|
|
|
|
||
|
35 |
1,77 |
1,49 |
1,24 |
1,03 |
0,90 |
|
0,84 |
|
0,86 |
0,97 |
1,15 |
1,40 |
1,69 |
1,86 |
|
49 |
2,06 |
1,66 |
1,33 |
1,07 |
0,90 |
|
0,84 |
|
0,87 |
0,99 |
1,22 |
1,54 |
1,94 |
2,20 |
|
45 |
2,48 |
1,90 |
1,44 |
1,11 |
0,92 |
|
0,84 |
|
0,87 |
1,03 |
1,30 |
1,73 |
2,30 |
2,71 |
|
50 |
3,16 |
2,23 |
1,60 |
1,17 |
0,93 |
|
0,84 |
|
0,88 |
1,06 |
1,41 |
1,98 |
2,86 |
3,55 |
|
55 |
4,36 |
2,73 |
1,80 |
1,25 |
0,95 |
|
0,84 |
|
0,89 |
1,11 |
1,55 |
2,36 |
3,80 |
5,15 |
|
60 |
6,95 |
3,56 |
2,09 |
1,35 |
0,98 |
|
0,85 |
|
0,90 |
1,17 |
1,74 |
2,93 |
5,65 |
9,15 |
88
Оптимальная ориентация коллектора солнечной энергии - южная. При отклонении до 30° к востоку или западу от южного направления годовое количество поступающей солнечной энергии уменьшается на 5-10 %.
Оптимальный угол наклона абсорбера равен широте местности для систем круглогодичного действия, = +15° - для установок, работающих только в отопительный сезон, и = -15° - для систем, работающих только в летний период.
Коллекторы можно размещать на наружных ограждениях здания (крыше, стенах, ограждениях балконов и т. п.) или отдельно от него, но стоимость солнечной системы теплоснабжения значительно снижается при совмещении улавливающих излучение устройств с крышей здания. Следует подчеркнуть, что теплопроизводительность установок уменьшается на 2-5% при затенении непрозрачными конструктивными элементами и запылении.
6.2.Выбор коллекторов солнечной энергии для систем нетрадиционного теплоснабжения зданий
Тепловая эффективность плоских коллекторов повышается путем снижения оптических и тепловых потерь благодаря применению нескольких слоев прозрачной изоляции (остекления); селективных покрытий; вакуумирования пространства между лучепоглощающей поверхностью и прозрачной изоляцией и т. п. Однако следует помнить, что сложное конструктивное исполнение приводит к возрастанию стоимости установок солнечного теплоснабжения.
Коэффициент полезного действия (мгновенный) коллектора равен [11] |
|||||||||
Ê |
|
qK |
|
mK ñP |
ÒÒ.Ê |
ÒÒ.Í |
|
, |
(6.7) |
I K |
|
I K |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
где qK - удельная теплопроизводительность солнечного коллектора, т. е. количество полезной теплоты, получаемой с 1 м2 площади абсорбера за 1 с, Вт/м2; IK - плотность суммарного потока солнечной радиации, поступающей на остекление коллектора, Вт/м2; mK - удельный массовый расход теплоносителя в поглощающей панели, кг/(м2·с); сP - удельная изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·К); ТТ.Н, Т Т.К -температура теплоносителя на входе в коллектор и выходе из него, оС.
Мгновенный КПД плоского коллектора можно также определить по формуле
К |
0 |
|
KТ |
ТТ .Н |
Т В , |
(6.8) |
|
||||||
|
|
|
I K |
|
|
89
где КТ - коэффициент теплопотерь коллектора, Вт/(м2·К); ТВ - температура наружного воздуха, °С; 0 эффективный оптический КПД солнечного коллектора.
Зависимость мгновенного КПД К от соотношения (ТТ.Н -ТВ)/IK определяется при испытании установки и изображается прямой с нулевой ординатой, равной оптическому КПД при нормальном падении лучей 0О , а тан-
генс угла наклона прямой дает величину КТ. На рис. 6.3 показаны характеристики наиболее распространенных типов солнечных коллекторов. Эффективный оптический КПД для этих устройств с южной ориентацией составляет 0 0,95 0О при однослойном остеклении и 0 0,93 0О при
двухслойном остеклении.
Рис. 6.3. Характеристики различных типов коллекторов солнечной энергии: 1 – неселективный плоский коллектор с двухслойным остеклением и алюминиевым штампованным абсорбером; 2 – то же с антиотражательным покрытием на поверхностях остекления; 3 – селективный плоский коллектор с покрытием «черный хром» на стальном абсорбере; 4 – вакуумированный стеклянный трубчатый коллектор с селективным концентрическим абсорбером; 5 - неселективный плоский коллектор с однослойным остеклением
КПД коллектора солнечной энергии равен нулю в том случае, если плотность потока солнечной энергии IK не превышает критического значения:
I КР |
|
К К |
ТТ .Н |
Т В . |
(6.9) |
|
|||||
|
|
0 |
|
|
90
Следовательно, К >0 при IK>IKP, а средняя величина КПД за определенный период времени (день, месяц, год) равна
|
|
|
|
К I K / |
|
. |
|
|
|
|
|||||
К |
I K |
|
|
(6.10) |
|||||||||||
Суммирование производится только для тех отрезков времени, |
когда |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
IK >IKP, при этом I K средняя плотность потока солнечной энергии для рас- |
|||||||||||||||
сматриваемого периода, Вт/м2. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
В табл. 6.4 приведены значения максимальной температуры теплоносите- |
|||||||||||||||
лей Т МАКС , оптического КПД |
|
0 |
|
и коэффициента теплопотерь К основных |
|||||||||||
Т |
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|||||||
типов коллекторов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Мгновенное количество полезной энергии, получаемой в коллекторе, Вт, |
|||||||||||||||
определяется по формуле [11] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
QK FK I K 0 |
KK TT .H TВ mK CP FK TT .K TT .H , |
(6.11) |
|||||||||||||
где FK -площадь абсорбера в устройстве, м2. |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6.4 |
||
Основные технические параметры коллекторов солнечной энергии |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Тип коллектора |
|
|
|
|
ТТМАКС , оС |
0 |
КТ, Вт/(м2·К) |
|
|||||||
Неселективные плоские кол- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
лекторы: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
с однослойным остеклением |
|
|
|
|
80 |
0,7-0,85 |
7-10 |
|
|
||||||
с двухслойным остеклением |
|
|
|
|
|
0,65-0,8 |
4-6 |
|
|
||||||
без остекления |
|
|
|
|
|
0,9-0,95 |
18-22 |
|
|
||||||
Селективные плоские коллек- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
торы: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
с однослойным остеклением |
|
|
|
|
100 |
0,65-0,8 |
4,5-6 |
|
|
||||||
с двухслойным остеклением |
|
|
|
|
|
0,6-0,75 |
3-4 |
|
|
||||||
Фоклин (коэффициент концен- |
|
|
120 |
0,6 |
0,7-0,8 |
|
|
||||||||
трации 1,5) |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Параболоцилиндрический кон- |
|
|
300 |
0,65-0,85 |
0,6-0,9 |
|
|
||||||||
центратор |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Вакуумированный стеклянный |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
трубчатый коллектор |
|
|
|
|
120-250 |
0,5-0,75 |
1-2 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
Среднемесячную удельную суточную теплопроизводительность уста- |
|||||||||||||||
новки, МДж/(м2·день), можно найти по зависимости |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
qK EK 0 , |
|
|
|
|
|
|
|
(6.12) |
где EK - среднемесячное поступление солнечной энергии на поверхность коллектора за день, МДж/(м2·день); cреднемесячная величина степени