Домашняя работа

Сонячне

випромінюванн

Екватор

СК

Горизонтальна

поверхня

Рис. 4.1 Кути, що характеризують положенняточки на земній поверхні (а) і похилій поверхні колектора (б) відносно сонячного проміння: ω - годинний кут; δ - схилення сонця; i - кут падіння сонячного проміння на похилу поверхню сонячного колектора; α - кут висоти Сонця; ас - азимут Сонця; aн - азимут похилої поверхні.

Значення H і Hd є довідковими даними (актинометричні дані

місцевості) [4]. Вони наведені в Додатку А.

Якщо в завданні вказано, що кут нахилу колектора до горизонту рівний широті місцевості, то значення RB приймаються з Додатку В. Однак для літнього сезону оптимальним є кут нахилу колектора рівний ϕ -15˚. В такому разі студенту необхідно провести розрахунок R B по формулі (4.5), чи

11

скористатись результатами розрахунків по цій формулі, що наведені в Додатку Г для різних значень куту нахилу колектора і коефіцієнта хмарності.

При розрахунках і проектуванні систем сонячного теплопостачання можуть виникнути ситуації, коли дані по щільності сонячної радіації відсутні, але є інформація про тривалість сонячного сяяння. Тоді можна оцінити денну суму радіації, скориставшись запропонованим Говером і МакКулохом виразом [3]:

	=Qс.п(0,29 cos φ + 0,52 P/Pmax),	(4.9)
H

Qс.п = 9830 Вт-год/(м2×добу) —сонячна постійна; Pmax — можливе число годин сонячного сяяння, год.

Формула (4.9) дозволяє виразити густину потоку сонячної радіації, що приходить на площину сонячного колектора, через тривалість сонячного сяяння.

4.2 Розрахунок густини потоку сонячної радіації за місяцями робочого терміну.

Наступна величина, яку необхідно розрахувати - густина потоку сонячної радіації Iа, Вт/м2. Для її знаходження потрібно знати величину HT , розрахунок якої був описаний в попередньому пункті, і число годин сонячного сяяння nccміс для кожного розрахункового місяця. Величина густини потоку сонячної радіації розраховується по формулі:

						T
Ia =					H							(4.10)
		nміссс		×3600
Приклад розрахунку представлений в таблиці 4.1.
Таблиця 4.1 Дані для розрахунку Iа
Параметри									Місяць		року
місцевості
							квітень		травень	червень	липень	серпень	вересень	жовтень
Сумарнасонячна							616,47		701,87	847,87	867,85	726,37	601,77	413,81
радіація,			Т
	H
МДж/(м2×міс)
Середньомісячна							13,5		17,8	21,1	26,6	24,9	19,8	12,9
температура
зовнішнього
повітряТа, оС
Тривалість							202,8		232,1	300,0	366,4	321,1	297,3	233,4
сонячного сяяння,
nмісcc год/міс
Сумарна сонячна							844,4		840	785,1	657,9	628,4	562,3	492,5
радіація		Iа, Вт/м2

12

4.3 Розрахунок площі колектора в системі без ТН

На цьому етапі можна визначити необхідну площу колекторів звичайної ССТ (без теплового насоса) по наступній формулі [5]:

	F =	Q′ГВП	(4.11)
		Iа×ηск
	ск

де Iа – густина потоку сумарної сонячної радіації, Вт/м2;

	μск – ефективність СК;
	Q′ГВП -		теплова потужність сонячної системи гарячого
	водопостачання, Вт, яка розраховується по формулі:
	Q′ГВП =	QГВП	×nмісдіб ×109	,
		nміссс ×3600

де nмісдіб - кількість діб у даному місяці;

109 – коефіцієнт переводу ГДж у Дж.

Ефективність СК залежить від температури рідини на його вході Ti і середньомісячної температури зовнішнього повітря Та, а також від сумарної сонячної радіації Iа і визначається спеціальною номограмою [6], яка зображена на рис. 4.2, або по формулі:

ηск = FR (τα)n – FRUL (Ti – Tа)/IT,

(4.12)

При умові UL = const залежність ККД колектора від параметра (T1 – To.с.)/IT лінійна, кутовий коефіцієнт прямої дорівнюється - FR UL.

(τα)n називають оптичним ККД колектора (ηо).

Апроксимація лінії ефективності, наприклад, для односкляних СК з неселективним поглинаючим покриттям, показує, що ефективність можна виразити наступним лінійним рівнянням:

ηск = 0,75 – 6,8×(Ti - Та)/ Iа

(4.13)

Можна сказати, що параметри цього рівняння є паспортними даними колектора і фірма-виготівник сонячних колекторів зобов'язана провести випробування колекторів і надати покупцю значення цих параметрів. Перший з них – це добуток оптичного ККД колектора і коефіцієнта відведення теплоти від колектора FR, (в рівнянні 4.13 цей добуток рівний 0,75), що характеризує максимальне вироблення теплоти колектором, коли температура рідини на вході в колектор Тi рівна температурі зовнішнього повітря Та. Другий параметр – це добуток повного коефіцієнту теплових втрат UL і коефіцієнта відведення теплоти від колектора FR, (в рівнянні 4.13 – 6,8). Обоє ці параметри дані для кожного варіанту у таблиці 2.2.

13

Тi −Ta ,м2 ×К/ Вт

Ia

Рис. 4.2 Ефективність сонячних колекторів різних типів:

1. вакуумний колектор; 2. двохстекольний селективний;

3. двохстекольний неселективний; 4. одностекольний селективний;

5. одностекольний неселективний.

Якщо в контурі геліосистеми є теплообмінник у баці акумуляторі, як це показано на рис. 3.2б, то для врахування його впливу на теплообмін треба помножити ηск на коефіцієнт 0,97.

Деякі труднощі при розрахунку геліосистем виникають при визначенні температури води на вході у колектор Ті. Як показала практика, схеми, у яких в колектор безпосередньо надходить холодна водопровідна вода, є неефективними. Прагнення інтенсифікувати теплообмін призвело до виникнення схем з проміжним контуром (рис. 3.2). У такій схемі температура теплоносія на вході у колектор дорівнюється температурі у нижній частині баку-акумулятора. Математична модель для визначення температури баку і результати обчислень наведені у [3]. При заданих у курсовому проекті значеннях Тх.в. = 15С і Тг.в. = 50˚С цю температуру можна прийняти рівною

35˚С.

Таким чином, розрахувавши ηск по рівнянню (4.13) (у загальному випадку по рівнянню (4.12)), згідно формули (4.11) знаходимо площі колектора для двох найхолоднішим місяців – квітня і жовтня, і вибираємо найбільшу.

14

4.3 Розрахунок температур води на вході в колектор комбінованої системи і температури випарника ТН.

Вище вже було сказано, що в даній комбінованій системі температура рідини в СК близька до температури навколишнього середовища, і тому колектор працює при ефективності близької до максимальної. Найбільша ефективність ССТ з ТН для наведеного у прикладі типа СК забезпечиться

при ефективності СК 0,7- 0,74. Прийнявши ηТНСК = 0,7 (ця величина наведена у

завдані для кожного варіанту у табл. 2.2), з формули 4.13 можна отримати температуру рідини на вході в СК як функцію Iа ;

Тi = Ta +	−ηТН + F (τα)	n	Iа, = Ta + 0,0074 Iа	(4.14)
	СК R
	FRUL

Розглядаючи схему установки на рис. 3.1, бачимо, що температура води на вході в колектор Тi рівна температурі води на виході з випарника ТН. Як відомо, температура випаровування холодоагенту у випарнику ТН Т0 приблизно на 5˚С менше вищеназваної температури, тобто ми можемо записати:

Т0 = Тi -5˚,

(4.15)

Враховуючи, що температура конденсації повинна бути на 5о вище необхідної температури гарячої води для потреб ГВС, ми маємо всі необхідні параметри для розрахунку циклу теплового насоса. Це можна зробити, наприклад, за допомогою діаграм для холодоагента, що використовується [7]. Та, враховуючи, що в цілях нашого розрахунку потрібно знати тільки коефіцієнт перетворення теплового насоса (КОП), можна скористатися спрощеними емпіричними виразами, що є в літературі [8], або номограмами [2,9] (див. наприклад, рис. 4.3).

Знайшовши КОП для кожного місяця робочого сезону системи, ми маємо всі дані для вибору устаткування комбінованої системи і визначення споживання електроенергії компресором теплового насоса.

15

КОП

6

5

4

3

280		290		300		310			320			ТХ, К

Рис. 4.3 Номограма для визначення коефіцієнта перетворення теплового насосу залежно від температури холодоносія на вході у випарник (Тх) та температури теплоносія на виході з конденсатору (Тг=50˚С)

4.4 Розрахунок холодопродуктивності ТН і затрат енергії компресором, вибір устаткування

Розрахована у (4.11б) теплова потужність сонячного гарячого водопостачання Q′ГВП дорівнює теплопродуктивності ТН. Розділивши цю величину на КОП для кожного місяця роботи системи, ми знайдемо роботу

виконану компресором.
Рк = Q′ГВП / КОП	(4.16)

де Рк – робота компресора, Вт.

Холодопродуктивність (навантаження випарника ТН) рівна різниці:

Qв = Q′ГВП - Рк

(4.17)

16

Площа колектора в системі з ТН визначається як відношення загального навантаження випарника Qв до питомого (на м2 площі колектора). Це питоме навантаження рівне потужності, що відводиться з одного м2 колектора в даному місяці, тобто Iа:

	FСКТН =	QВ	.	(4.18)
		Iа ηсктн

Електрична потужність на привод компресора розраховується як:

Nк =			Pк		,	(4.19)
	η	із	×η
				мех

де ηіз - ізоентропійний ККД компресора, прийняти рівним 0,7;

ηмех - механічний ККД компресора, прийняти рівним 0,95.

Значення потужності компресора для найхолоднішого місяця є вихідною інформацією для вибору ТН; а значення FСКТН для цього ж місяця визначає площу сонячного колектора в системі з ТН.

4.5 Розрахунки затрат і порівняння альтернативних систем гарячого водопостачання

1. Затрати на сонячну систему без теплового насоса визначаються виходячи з площі сонячного колектора, розрахованої з формули 4.11 для найхолоднішого місяця. Вартість геліосистеми розраховується виходячи з вартості колектора, як це наведено у Додатку Д. Вказана вартість бакуакумулятору відноситься до баку з вбудованими теплообмінником та дублюючим електронагрівником. Оскільки витратою електроенергії на електронасос в контурі гарячого водопостачання можна нехтувати (система може працювати і без електронасоса під тиском водопровідної мережі),а також витрати на роботу насоса в контурі сонячного колектора незначні, тому поточні витрати для цієї системи можна прийняти рівними нулю.

2. Дані, отримані в пункті 4.4, дозволяють визначити капітальні

затрати на комбіновану систему і поточні затрати на роботу компресора ТН. Остання величина визначається як сума добутків потужностей компресора, розрахованих для кожного місяця, помножених на число годин роботи в даному місяці, яке рівне числу годин сонячного сяяння.

W = ∑NКi ×nicc ×10-3, кВт-год

(4.20)

Витратами на роботу насоса можна нехтувати, так як вони малі в

17

порівнянні з витратами на роботу компресора.

Капітальні витрати на тепловий насос, включаючи проектні роботи та роботи по впровадженню системи, можна прийняти рівними 450 у. о. на 1кВ електричної потужності. При розрахунку вартості геліосистеми при використанні комбінованої системи треба врахувати, що наявність теплового насосу виключає необхідність дублюючого нагрівника. Комбінована схема також не передбачає теплообмінник у баці-акумуляторі. Виходячи з цього, вартість баку-акумулятора буде значно меншою, її можна прийняти рівною 25% від наведеної у Додатку Д.

3. Нескладно порахувати і затрати електроенергії на роботу традиційної системи з електрокотлом, перемноживши навантаження ГВС,

час д Вартість електричної енергії для всіх варіантів прийняти рівною 17,2 копійок за 1 кВт-год (включаючи ПДВ). В даному розрахунку прийняти, що використання нічного тарифу неможливо, враховуючи обмеження на користування електричною енергією, які нерідкі в курортних зонах. Вартість проточно-ємнісного електрокотла можна приймати 100 грн/кВт, включаючи затрати на впровадження.

Порівнявши два види сонячних систем (з ТН і без ТН) з традиційною системою, можна розрахувати термін окупності, ЧДС, ВНП і на підставі цих розрахунків зробити вибір найефективнішої системи з фінансової точки зору.

Як відомо, термін окупності – це відношення капітальних витрат до річної економії. Метод, в якому враховується тимчасова вартість грошей, є розрахунком чистої дисконтованої вартості (ЧДВ). В такому методі оцінювання враховуються вигоди від проекту на всьому протязі його дії. Він дозволяє приводити майбутні вигоди до поточної вартості грошей (тобто перераховуватиїх на теперішній момент).

ЧДВ=ПВВ-ПВК, (4.21)

де ПВВ - приведена вартість вигод; ПВК – приведена величина капітальних вкладень. (Відмітимо, що коли

треба вибрати між впровадженням енергозберігаючого проекту і традиційного, в якості капітальних вкладень при розрахунку ЧДВ беруть різницю між затратами на енергозберігаючий проект і традиційний, тобто додаткові вкладення на енергозбереження).

п	п
ПВВ= ∑ПВj = ∑(Е×Кj),		(4.22)
j=1	j=1

де ПВj – приведені вигоди в j-м році. Е – річна економія енергії;

Кj – коефіцієнт дисконтування.

18

К j	=		1	,	(4.23)
			+ i) j
	(1

де i - рівень дисконту у формі десяткового числа (дисконтна ставка); j – номер року.

Метод розрахунку ЧДВ показує, чи заробляє інвестиція більше (позитивна ЧДВ) або менше (негативна ЧДВ), ніж відповідно до наміченого темпу повернення. Іншими словами, енергозберігаючий проект вважається вигідним, якщо ЧДВ більше нуля.

Значення дисконтної ставки, при якій ЧДВ рівно нулю називається внутрішньою нормою прибутку (ВНП).

19

ЛІТЕРАТУРА

1.Петросян А.Л. Применение тепловых насосов в системах солнечного теплоснабжения. Известия ВУЗов. Энергетика 1993г. №5,6.-стр. 103-108

2.Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: пер. с англ. – М.: Энергоиздат, 1982. – 224 с.

3.Валов М.И., Казанджан Б.И. Использование солнечной энергии в системах теплоснабжения.- М.: Изд-во МЭИ, 1991. - 140 с.

4.Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. многолетние данные. Ленинград: Гидрометиоиздат, 1990.

5.Бекман У., Клейн С., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения. – М.: Энергоиздат, 1982. - 80 с.

6.Использование солнечной энергии для теплоснабжения зданий./ Константиновский Ю.А., Заваров А.И., Рабинович М.Д., Ферт А.Р. [под ред. Сарнацкого Э.В.]. – К., Будівельник, 1985. – с. 104.

7.Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергия, 1968. 336 с.

8.Промышленные тепловые насосы. – М.: Энергоатомиздат, 1989. –

128 с.

9.Дикий М.О. Поновлювані джерела енергії: Підручник. – К.: Вища шк.., 1993. – 351с.

20