Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии» НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ Методические указания Минск БНТУ 2011 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии» НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ Методические указания к курсовой работе для студентов специальности 1-43 01 06 «Энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент» Минск БНТУ 2011 УДК [620.9004.18 + 620.97] (075.8) ББК 31.15я7 Н 57 Составители: Ю.К. Кривошеев, Н.Г. Хутская Рецензенты: А.И. Шнип, Г.И. Пальчёнок В методические указания включены вопросы, связанные с ис- пользованием солнечных систем горячего водоснабжения. Рассмат- риваются классификация и выбор коллекторов солнечной энергии, общие положения расчета солнечных систем горячего водоснабже- ния. Особое внимание уделяется методике расчета коэффициента замещения солнечной энергии. © БНТУ, 2011 3 Введение Современный специалист-энергетик должен обладать глубокими теоретическими знаниями и прочными практическими навыками. В настоящее время промышленное производство и жилищно-комму- нальное хозяйство нашей страны нуждаются в проведении реши- тельных мероприятий, направленных на снижение энергоемкости продукции. Будущие специалисты должны находить неожиданные решения в области энергосбережения и уметь оценивать их эффек- тивность. Курсовая работа посвящена одной из важнейших тем в области энергетики на нетрадиционных и возобновляемых источниках энер- гии – оценке основных параметров солнечных систем горячего водо- снабжения. Солнечное теплоснабжение – использование солнечной энергии для горячего водоснабжения и отопления в жилищно- коммунальной и производственной сферах – получило в мировой практике наибольшее распространение по сравнению с другими направлениями применения нетрадиционных и возобновляемых ис- точников энергии. Существующие методы расчета таких систем поз- воляют на основе использования климатической информации и с уче- том характеристик применяемого оборудования определять их основ- ные параметры: коэффициент замещения нагрузки (доля солнечной энергии в покрытии нагрузки) за некоторый рассматриваемый период (месяц, сезон, год), полезную теплопроизводительность установки за этот период, площадь солнечных коллекторов в установке. Студентам предлагается в зависимости от варианта определить количество энергии, поступающей на поверхность коллектора сол- нечной энергии; вычислить полный коэффициент тепловых потерь коллектора; рассчитать долю нагрузки, обеспечиваемой за счет сол- нечной энергии; построить график зависимости коэффициента за- мещения от площади солнечного коллектора; определить сезонную экономию топлива, обеспечиваемую использованием солнечной энергии. 4 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ СИСТЕМ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ Солнечная радиация – практически неисчерпаемый и экологиче- ски чистый источник энергии. Мощность потока солнечной энергии у верхней границы атмосферы равна 1,71014 кВт, а на поверхности Земли – 1,21014 кВт. Общее годовое количество поступающей на Землю солнечной энергии составляет 1,051018 кВтч, в том числе на поверхность суши приходится 21017 кВтч. Без ущерба для экологи- ческой среды может быть использовано до 1,5 % всей поступающей солнечной энергии. Гелиосистемы теплоснабжения рекомендуется применять при соответствующем технико-экономическом обосновании: 1) сезонное теплоснабжение или режим теплопотребления с мак- симальными нагрузками в летний период; 2) высокая себестоимость тепловой энергии, отпускаемой тради- ционным источником теплоты; 3) высокие среднегодовые значения интенсивности поступа- ющей солнечной радиации и большое количество солнечных дней; 4) наличие площадей для размещения коллектора солнечной энергии (КСЭ), отсутствии затенения КСЭ с ограждающими кон- струкциями здания; 5) повышенные требования к чистоте окружающей среды; 6) экономия топливно-энергетических ресурсов. Солнечные системы горячего водоснабжения (ССГВ). Суще- ствуют два основных типа ССГВ: с естественной (рис. 1.1, а) и при- нудительной (рис. 1.1, б) циркуляцией теплоносителя. Если в кон- туре коллектора солнечной энергии и в баке-аккумуляторе теплоты используется вода, то ССГВ выполняется по одноконтурной схеме. Для предотвращения замерзания теплоносителя в контуре КСЭ мо- жет использоваться антифриз, при этом теплота от антифриза к воде передается с помощью теплообменника и ССГВ выполняется по двухконтурной схеме (рис. 1.2). 5 1 2 Горячая вода Холодная вода 1 2 3 Горячая вода Холодная вода 4 Рис. 1.1. Принципиальные схемы солнечной водонагревательной установки с естественной (а) и принудительной (б) циркуляцией теплоносителя: 1 – коллектор солнечной энергии (КСЭ); 2 – бак-аккумулятор горячей воды; 3 – насос; 4 – смесительный вентиль 1 2 3 Горячая вода Холодная вода 4 6 1 2 3 Горячая вода Холодная вода 4 6 5 Рис. 1.2. Двухконтурная схема солнечной водонагревательной установки с естественной (а) и принудительной (б) циркуляцией теплоносителя: 1 – коллектор солнечной энергии; 2 – аккумулятор тепла; 3 – теплообменник; 4 – резервный (дополнительный) источник энергии; 5 – насос; 6 – предохранительный клапан Солнечные системы горячего водоснабжения первого типа обычно используются для небольших потребителей, при этом бак- аккумулятор теплоты должен быть установлен выше КСЭ. Для крупных потребителей горячей воды для циркуляции теплоносите- ля требуется насос (рис. 1.2, б). а б 6 2. РАСЧЕТ ПРИХОДА РАДИАЦИИ НА НАКЛОННУЮ ПОВЕРХНОСТЬ Плотность потока солнечной радиации у верхней границы атмо- сферы на поверхность, расположенной перпендикулярно направле- нию солнечных лучей, равна I0 = 1,353 кВт/м2 (солнечная постоян- ная), а среднее количество энергии, поступающей за 1 ч на 1 м2 этой поверхности, равно F0 = 4,871 МДж/(м2ч). В системе солнечного теплоснабжения (ССТ) обычно использу- ются плоские КСЭ, устанавливаемые в наклонном положении. Среднемесячное дневное количество суммарной солнечной энер- гии, МДж/(м2день), поступающей на наклонную поверхность КСЭ: ,EREk  (2.1) где R – отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации, поступающих на наклонную и горизонтальную поверх- ности; Е – среднемесячное дневное количество суммарного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, МДж/(м2день). Для наклонной поверхности с южной ориентацией , 2 cosβ1 ρ 2 βcos1 1 д д             E E R E E R n (2.2) где Ед – среднемесячное дневное количество диффузной (рассеян- ной) солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверх- ность, МДж/(м2день); Rn – коэффициент пересчета прямого излучения с горизонталь- ной на наклонную поверхность;  – угол наклона КСЭ к горизонту, град;  – коэффициент отражения для подстилающей поверхности Земли. Обычно летом  = 0,2, а зимой при наличии снежного по- крова  = 0,7. Первый, второй и третий члены этого уравнения представляют соответственно доли прямого излучения, диффузного излучения 7 небосвода и излучения, отраженного от земли на поверхность кол- лектора. Среднемесячная величина коэффициента Rп (рис. 2.1)     33 33 п 180 sinsinsincoscos sinsin 180 sincoscos       R , (2.3) где  – ширина местности, град;  – склонение Солнца, град; 3 и 3 – часовой угол захода Солнца на горизонтальной и наклонной поверхностях, град. Угол склонения Солнца в данный день n . 365 284 360sin45,23         n (2.4) На рис. 2.1 показаны основные углы, используемые в приведен- ных формулах. Рис. 2.1. Углы, характеризующие положение точки на земной поверхности (а) и наклонной поверхности коллектора солнечной энергии (б) относительно солнечных лучей: φ – широта местности; ω – часовой угол; δ – склонение Солнца; ί – угол падения солнечных лучей на наклонную поверхность КСЭ; α – угол высоты Солнца; аС – азимут Солнца; аН – азимут наклонной поверхности а б 8 Для среднего дня I–XII месяцев величина  равна 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 –23,0 Часовой угол захода (восхода) Солнца для поверхности: горизонтальной: );tgδtgarccos(3  (2.5) наклонной:   .β)tgδtg(arccos,ωmin 33  (2.6) В качестве ΄3 принимается меньшая из двух величин, указан- ных в фигурных скобках. Значения среднемесячных величин Е, Ед, и температуры наруж- ного воздуха ТВ для различных географических пунктов приведены в приложении. 9 3. КЛАССИФИКАЦИЯ И ВЫБОР КОЛЛЕКТОРОВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Различают плоские коллекторы без изменения плотности потока солнечной энергии и фокусирующие коллекторы с концентрирова- нием солнечной энергии (параболо-цилиндрические концентрато- ры, фоклины и т. п.). Для отопления и горячего водоснабжения наиболее пригодны плоские КСЭ, позволяющие нагревать теплоно- ситель до 60–80 ºС. При температурах теплоносителя 80 ºС и выше целесообразно применять фокусирующие или вакуумированные стеклянные трубчатые КСЭ. Основным элементом КСЭ является лучепоглощающая поверх- ность (абсорбер) с каналами для теплоносителя. Тепловая эффективность плоских КСЭ повышается путем уменьшения оптических и тепловых потерь благодаря применению: 1) нескольких слоев прозрачной изоляции (остекления); 2) селективных покрытий; 3) вакуумирования пространства между лучепоглощающей по- верхностью и прозрачной изоляцией и т. п. Коэффициент полезного действия КСЭ (мгновенный) , )TT( тнкт k pk k k k I cm I q   (3.1) где qk – удельная теплопроизводительность КСЭ, т. е. количество полезной теплоты, получаемой с 1 м2 площади КСЭ за 1 с, Вт/м2; Ik – плотность суммарного потока солнечной радиации, посту- пающей на поверхность КСЭ, Вт/м2; mk – удельный массовый расход теплоносителя в КСЭ, кг/(м2с); ср – удельная изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кгК); Ттн и Ттк – температура теплоносителя на входе в КСЭ и выходе из него,ºС. Мгновенный КПД плоского КСЭ 10 ),TТ( Bтн0  k k k I K (3.2) где 0 – эффективный оптический КПД КСЭ; Kk – эффективный коэффициент теплопотерь КСЭ, Вт/(м2К); ТВ – температура наружного воздуха. Характеристика КСЭ – зависимость k от (Ттн – ТВ)/Ik определя- ется при его испытании и изображается прямой с нулевой ордина- той, равной оптическому КПД при нормальном падении лучей 00, а тангенс угла наклона прямой дает величину Kk. Эффективный опти- ческий КПД для КСЭ с южной ориентацией 0 = 0,9500 при одно- слойном остеклении и 0 = 0,9300 при двухслойном остеклении. При наличии теплообменника в контуре КСЭ величины Kk и 0 необходимо умножить на 0,97. КПД КСЭ равен нулю в том случае, если плотность потока сол- нечной энергии Ik не превышает критического значения: )ТТ( Втнкр    о kKI . (3.3) Следовательно, k > 0 при Ik > Iкр. Средняя величина КПД КСЭ за определенный период времени (день, месяц, год) kkkk II  /)( . (3.4) Суммирование производится только для тех отрезков времени, когда Ik > Iкр, при этом I k – средняя плотность потока солнечной энергии для рассматриваемого периода, Вт/м2. Рассмотрим более подробно, как производится вычисление пол- ного коэффициента тепловых потерь. Потери энергии через нижнюю поверхность коллектора обусловлены двумя факторами: потерями за счет теплопроводности через тепловую изоляцию и потерями за счет излучения и конвекции в окружающую среду, причем излучением и конвекцией можно пренебречь. Таким образом, коэффициент тепло- вых потерь через нижнюю поверхность коллектора н 11 н = L  , (3.5) где  и L – соответственно коэффициент теплопроводности и тол- щина изоляции. Для большинства коллекторов расчет потерь через боковые по- верхности представляет весьма сложную задачу. Обычно рекомен- дуется выбирать толщину изоляции боковой поверхности примерно равной толщине изоляции нижней поверхности. Тогда потери через боковые поверхности можно оценить, предполагая, что плотность теплового потока через эти поверхности постоянна по периметру коллектора. Потери с верхней поверхности коллектора обусловлены излуче- нием и конвекцией между параллельными пластинами. Потери энергии верхним стеклянным покрытием в окружающую среду рав- ны количеству энергии, переносимой от пластины с температурой Тп к первому стеклянному покрытию с температурой Тс и далее от одного стекла к другому. Таким образом, потери энергии через верхнее стекло в окружающую среду с единицы площади равны     111 σ α сп 4 с 4 сппс п                 TT TTq , (3.6) где пс – коэффициент конвективного теплообмена между двумя наклонными параллельными пластинами; п и с – степень черноты пластины и стеклянного покрытия со- ответственно. Линеаризуя радиационный член уравнения и вводя коэффициент теплопередачи излучением, выражение для тепловых потерь можно переписать в следующем виде:   спр1пс αα ТТq  , (3.7) где ]1)ε/1()ε/1/[()()(σα cп 2 с 2 пспр1  ТТТТ . (3.8) 12 Выражение для переноса тепла от верхнего стеклянного покры- тия к окружающей среде имеет такой же вид, однако коэффициент конвективной теплоотдачи в этом случае определяется скоростью ветра над коллектором. Приближенные значения этого коэффици- ента вычисляются с помощью следующего соотношения: В = 5,7 + 3,8V, (3.9) где В – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 · К); V – скорость ветра, м/с. Радиационный коэффициент теплопередачи верхнего стеклянно- го покрытия с температурой Тс учитывает теплообмен излучением с небосводом при определенной температуре, которую будем считать температурой воздуха ТВ. При этом выражение для коэффициента теплопередачи излучением р2 имеет вид ))((σεα 2В 2 сВсср2 ТТТТ  . (3.10) Что касается пс, то его вычисление проводится следующим об- разом. Свободная конвекция в воздушном зазоре между двумя па- раллельными пластинами, наклоненными под углом 45, для случая 104  Gr  107, описывается следующим соотношением: Nu = 0,093 (Gr)0,31, (3.11) где числа Нуссельта и Грасгофа определены выражениями   d Nu α , 2 3    Tdg Gr , (3.12) где  – коэффициент теплообмена; d – расстояние между пластинами;  – коэффициент теплопроводности; g – ускорение силы тяжести;  – коэффициент объемного расширения воздуха (1/Т для иде- ального газа); 13 Т – разность температур между пластинами;  – коэффициент кинематической вязкости, все свойства опре- делены при средней температуре воздуха. Расчет коэффициента потерь через верхнюю поверхность в окру- жающую среду проводится методом итераций. В случае односте- кольного покрытия выражение для него принимает следующий вид: 1 р2Вр1п ) αα 1 αα 1 (     K , (3.13) при этом коэффициент теплопередачи излучением от стекла к небо- своду ))(( 2В 2 cВccp2 ТТТТ  . (3.14) Учитывая, что поток энергии от пластины к стеклу равен потоку энергии от пластины в окружающую среду, нетрудно получить сле- дующее выражение для температуры стеклянного покрытия: рп Вп пc αα )(    ТТK ТТ . (3.15) Методика расчета состоит в том, что произвольно задается значе- ние Тс и рассчитываются коэффициенты п, р1, р2 и, наконец, K. Результаты этих расчетов используются затем для вычисления Тс по приведенному уравнению. Если полученное значение Тс близко к начальному произвольно выбранному значению, то нет необходимо- сти в дальнейших расчетах. В противном случае полученное значе- ние Тс принимается за исходное и процесс вычислений повторяется. Поскольку наклон коллектора к горизонту  является суще- ственным параметром, учесть его можно с помощью следующего соотношения: 14 )ε00144,000259,0)(45(1 )45( )( п  K K , (3.16) где  – угол наклона в градусах. Полный коэффициент тепловых потерь Kk определяется сумми- рованием коэффициентов потерь через верхнюю и нижнюю по- верхности коллектора, т. е. выражений (3.5) и (3.16). В табл. 3.1 приведены значения максимальной температуры теп- лоносителей Тт, оптического КПД о, коэффициента теплопотерь Kk основных типов КСЭ. Теплопроизводительность КСЭ. Мгновенное количество по- лезной энергии, даваемой КСЭ, Вт: )]([ Внт0 ТТKIFQ kkkk  , (3.17) где Fk – площадь поверхности КСЭ, м2. Ориентация, угол наклона, размещение и соединение моду- лей КСЭ. Оптимальная ориентация КСЭ – южная. При отклонении до 30º к востоку или западу от южного направления годовое коли- чество поступающей солнечной энергии уменьшается на 5–10 %. Оптимальный угол наклона КСЭ  равен широте местности  для систем круглогодичного действия,  =  + 15º для систем, рабо- тающих только в летний период. Таблица 3.1 Основные технические данные КСЭ Тип коллектора Тт,оС, макси- мальное зна- чение о Kk, Вт/(м2К) Неселективный плоский КСЭ: с однослойным остеклением НПК-1 80 0,7–0,85 7–10 с двухслойным остеклением НПК-2 80 0,65–0,8 4–6 без остекления 80 0,9–0,95 18–22 15 Окончание табл. 3.1 Тип коллектора Тт, ºС, макси- мальное зна- чение о Kk, Вт/(м2К) Селективный плоский КСЭ: с однослойным остеклением СПК-1 100 0,65–0,8 4,5–6 с двухслойным остеклением СПК-2 100 0,6–0,75 3–4 Фоклин (коэффициент концен- трации 1,5) 120 0,6 0,7–0,8 Параболо-цилиндрический кон- центратор ПЦК 300 0,65–0,85 0,6–0,9 Вакуумированный стеклянный трубчатый коллектор ВСТК 120–250 0,5–0,75 1–2 КСЭ можно размещать на наружных ограждениях здания (крыше, стенах, ограждениях балконов и т. п.) или отдельно от него. Стои- мость ССТ значительно снижается при совмещении КСЭ с крышей здания. Теплопроизводительность КСЭ снижается на 2–5 % при за- тенении непрозрачными элементами конструкции и запылении. 16 4. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ Точный тепловой расчет ССТ затрудняется из-за влияния слу- чайных колебаний климатических условий и сложного характера взаимодействия между элементами системы. Поэтому в инженер- ной практике обычно используются полуэмпирические методы, ко- торые основаны на обобщении результатов подробного моделиро- вания ССТ с помощью ЭВМ и дают возможность получить долго- срочные характеристики ССТ. Цель теплового расчета ССТ состоит в определении: 1) удельной суточной тепловой производительности системы qc; 2) площади Fk лучепоглощающей поверхности КСЭ; 4) объема теплового аккумулятора Vак; 4) удельного массового расхода теплоносителя в контуре КСЭ mk; 5) угла наклона  КСЭ к горизонту; 6) площади поверхностей нагрева теплообменников в контурах КСЭ и потребителя; 7) годовой степени замещения топлива fгод и расхода дополни- тельной энергии Qд.и.э. Исходные данные для расчета ССТ включают: 1) местоположение гелиосистемы – широта, долгота и высота местности над уровнем моря; 2) климатические данные; среднемесячное дневное количество суммарной Е и диффузной Ед солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность; температура наружного воздуха Тв; 3) характеристики КСЭ 0 и Kk геометрические размеры модуля КСЭ, число слоев остекления, вид теплоносителя; 4) месячную тепловую нагрузку отопления Q0 (или данные для ее расчета); 5) значения температур холодной Тх.в и горячей Тг.в воды; 6) суточное общее потребление горячей воды Vг.в. В соответствии с п. 1 выбирают тип и схему ССТ, а по п. 3 – тип КСЭ и его характеристики. Солнечные системы горячего водоснаб- жения с естественной циркуляцией следует применять при площади КСЭ до 20 м2 для индивидуальных потребителей. В гелиосистемах 17 отопления и ССГВ с большей площадью КСЭ необходимо исполь- зовать принудительную циркуляцию теплоносителя. Температура горячей воды в ССГВ должна быть в пределах 45–75º, кроме случаев, указанных в СНиП. При проектировании ССТ вначале выбирают решение и обору- дование ССТ, затем последовательно выполняют тепловой, гидрав- лический и технико-экономический расчеты ССТ с оптимизацией. В отличие от традиционных систем теплоснабжения, при проек- тировании которых для выбора оборудования достаточно опреде- лить часовые расходы теплоты, при расчете ССТ необходимо вы- числять месячные расходы теплоты. Расход теплоты, кДж, на горя- чее водоснабжение в данном месяце выражается следующим образом: дх.вг.вг.в 3 д сут г.вг.в )(1019,4 NnТТVnQQ  , (4.1) где сущг.вQ – суточный расход теплоты на горячее водоснабжение, кДж. nд – число дней в данном месяце; Vг.в – суточный расход горячей воды на 1 человека по нормам, м3/(деньчел.); Тг.в и Тх.в – температуры горячей и холодной воды, ºС (значения Тх.в. и nд изменяются по месяцам, а остальные величины постоянные); N – число жителей. Средний график потребления горячей воды в течение суток по- казан на рис. 4.1. Вследствие нестабильности поступления солнечной энергии си- стемы солнечного отопления должны работать с дополнительным (резервным), обеспечивающим 100 % тепловой нагрузки источни- ком энергии (ДИЭ): котельная, теплосеть и т. п. В то же время ССГВ сезонного действия могут быть запроектированы без дубле- ра, если не предъявляются жесткие требования по бесперебойному горячему водоснабжению (летние душевые, пансионаты, пионер- ские лагеря и т. п.). При проектировании гелиотопливных систем теплоснабжения необходимо исходить из того, что экономически целесообразно по- крывать за счет солнечной энергии лишь определенную долю fгод 18 годовой тепловой нагрузки сущг.вQ горячего водоснабжения, осталь- ную часть тепловой нагрузки должен обеспечивать ДИЭ: год нгодДИЭ )1( QfQ  . (4.2) Годовая доля солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки (или степень замещения топлива)   м н м нгод / QfQf , (4.3) 0 2 4 6 8 10 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Время суток П р о ц е н т с у т о ч н о го р а с х о д а Рис. 4.1. Средний график потребления горячей воды в течение суток Месячная степень замещения топлива м н м ДИЭ м н м ДИЭ м н м н м с 1 Q Q Q QQ Q Q f    , (4.4) 19 где мнQ , м сQ и м ДИЭQ – месячные величины тепловой нагрузки, теп- лоты, обеспечиваемой солнечной и дополнительной энергией, ГДж/месяц. Удельный объемный расход теплоносителя Vk для жидкостных КСЭ следует принимать: Vk = 0,01...0,02 л/(м2с), удельный объем водяного аккумулятора теплоты: Vак = 0,05...0,1 м3. Годовая (сезонная) теплопроизводительность системы годcQ и степень замещения годcf для ССГВ меньше год kQ и годf на 25–35 %, а для ССТ – на 30–50 % (из-за теплопотерь в системе и неиспользу- емого избытка полезной теплоты). Годовая экономия топлива, тонн условного топлива, обеспечива- емая использованием солнечной энергии: )/( тгт год нгод  QQfВ , (4.5) где годf – годовая степень замещения; год нQ – годовая нагрузка теплоснабжения, ГДж/год; Qт – теплота сгорания топлива, отнесенная к 1 тонне условного топлива; тг – КПД теплогенерирующей установки, равный 0,45 и 0,6 для индивидуальных теплогенераторов на твердом и жидком (газооб- разном) топливе и 0,6–0,7 и 0,7–0,8 для котельных производитель- ностью 20–100 ГДж/ч и более на твердом и жидком (газообразном) топливе. 20 5. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАМЕЩЕНИЯ (f-МЕТОД) Энергетический баланс системы солнечного теплоснабжения за месячный период времени можно представить в виде Q – Qг.в + E = ΔU, (5.1) где Q – месячная теплопроизводительность солнечной установки; Qг.в – месячная нагрузка горячего водоснабжения; E – общее количество энергии, полученное в течение месяца от дублирующего источника; U – изменение количества энергии в аккумулирующей уста- новке. При размерах аккумуляторов, обычно применяемых в ССТ, раз- ность U мала по сравнению с Q, Qг.в и E и может быть принята равной нулю. Тогда уравнение (5.1) можно переписать в виде f = (Qг.в – E) / Qг.в = Q / Qг.в, (5.2) где f – доля месячной тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии. Непосредственно уравнение (5.2) нельзя использовать для расче- та f, поскольку величина Q является сложной функцией падающего излучения, температуры окружающей среды и тепловых нагрузок. Однако рассмотрение параметров, от которых зависит Q, позволяет предположить, что коэффициент замещения f эмпирически можно связать с двумя безразмерными комплексами: QtTTKFX BAkk г.в/)(  ; (5.3) ,/ г.вД0 QnEFY kk (5.4) где TA – базисная температура, принятая равной 100 ºC; TB – среднемесячная температура наружного воздуха, ºC; Δt – число секунд в месяце; Еk – среднемесячный дневной приход суммарной солнечной ра- диации на наклонную поверхность коллектора, Дж/(м2день). 21 Безразмерные комплексы X и Y имеют определенный физический смысл: Y можно трактовать как отношение количества энергии, по- глощаемой пластиной коллектора в течение месяца, к полной тепло- вой нагрузке; X – отношение месячных тепловых потерь коллектора при базисной температуре к полной месячной тепловой нагрузке. Рассмотрим метод расчета характеристик системы солнечного теплоснабжения для условий, когда нагрузка горячего водоснабже- ния является преобладающей или единственной. Как температура водопроводной воды Тх.в, так и минимально допустимая температу- ра горячей воды Тг.в влияют на характеристики системы. Поскольку средняя рабочая температура в системе, а следовательно, и потери тепла от коллектора зависят от Тх.в и Тг.в, разумно предположить, что выражение комплекса X, характеризующего потери тепла от коллектора, можно скорректировать таким образом, чтобы учесть влияние Тх.в и Тг.в. Если месячные значения X умножить на попра- вочный коэффициент, определяемый ниже приведенным выражени- ем, то f–метод расчета жидкостных систем солнечного отопления и горячего водоснабжения можно использовать для определения ме- сячных значений f, достигаемых в системах солнечного горячего водоснабжения. Поправочный коэффициент для систем горячего водоснабжения в вх.вг.в 100 32,286,318,16,11 / T TTT XXC    . (5.5) Рассматриваются системы солнечного горячего водоснабжения, в которых вместимость бака-аккумулятора составляет 75 л/м2. Предполагается, что потребление горячей воды осуществляется по графику, показанному на рис. 4.1. Оба этих условия являются базо- выми в f–методе расчета. При вместимости аккумулятора 75 л/м2 распределение тепловой нагрузки в течение дня не оказывает силь- ного влияния на характеристики системы солнечного нагрева воды. Однако фактическое распределение нагрузки горячего водоснабже- ния может сильно отличаться от среднего распределения. Если большая часть горячей воды ежедневно потребляется в течение ко- роткого промежутка времени, то доля нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, может быть ниже значений, получаемых 22 при использовании рассмотренного здесь метода расчета. В этом случае увеличение размеров аккумулятора будет более эффективно, чем это следует из соотношения, позволяющего вычислить попра- вочный коэффициент: )75/( 25,0 / MXXC   при 37,5 < M < 300, (5.6) где M – количество воды в аккумуляторе, л/м2. Предполагается, что перегрев воды выше минимально допусти- мой температуры горячей воды Тг.в невыгоден. Иногда температура воды в аккумуляторе будет превышать Тг.в. Считается, что солнечная энергия, затрачиваемая на нагрев воды выше Тг.в, расходуется беспо- лезно и не участвует в покрытии нагрузки горячего водоснабжения. Чтобы определить долю f полной месячной тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, необходимо рассчитать комплексы X и Y для рассматриваемого коллектора и данной месяч- ной тепловой нагрузки. Месячное количество солнечного тепла находится умножением f на месячную нагрузку Qг.в. Доля годовой тепловой нагрузки, покрываемой за счет солнечной энергии, равна сумме месячных количеств солнечного тепла, деленной на полную годовую нагрузку. Зависимость между X, Y и f можно аппроксимировать следую- щим уравнением: f = 1,029Y – 0,065X – 0,245Y2 + + 0,0018X2 + 0,0215Y3, (5.7) где 0 < Y < 3 и 0 < X < 18. 23 6. ПРИМЕР РАСЧЕТА Система солнечного нагрева воды для бытовых нужд будет установлена на доме, расположенном на широте φº с.ш. Коллектор для нагрева жидкости используют в системе солнечного тепло- снабжения дома, причем система должна обеспечить нагрев воды для семьи из N человек, каждый из которых ежедневно расходует Vг.в литров воды при температуре Тг.в ºC. Температура водопровод- ной воды в данном городе составляет Тх.в ºC. Коллекторы устанав- ливаются под углом β к горизонту и ориентируются строго на юг. Объем воды в баке-аккумуляторе равен 75 л/м2. Рассчитать долю тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, при площади коллектора 2, 4 и 6 м2. Для среднего дня каждого месяца рассчитывают количество сол- нечной энергии, поступающей на наклонную поверхность КСЭ, для чего определяют угол склонения Солнца  по формуле (2.4), часо- вые углы захода Солнца для горизонтальной 3 и наклонной 3 по- верхностей по формулам (2.5) и (2.6), среднемесячные коэффициен- ты пересчета солнечной радиации Rп и R по формулам (2.2) и (2.3), среднемесячное дневное количество солнечной энергии Еk, посту- пающей на поверхность КСЭ, по формуле (2.1), результаты расче- тов представляются в форме табл. 6.1: Таблица 6.1 Месяц E МДж/(м2день) дE МДж/(м2день) , град 3, град 3, град Rп R Еk МДж/(м2день) Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Затем необходимо определить месячные тепловые нагрузки го- рячего водоснабжения. Средняя суточная тепловая нагрузка равна произведению суточного расхода воды, ее теплоемкости и разности температур горячей Тг.в и холодной воды Тх.в. Средняя месячная тепловая нагрузка, указанная в столбце 3 табл. 6.2, получена умно- 24 жением суточной тепловой нагрузки на число дней в месяце (расчет по формуле 4.1 для соответствующих месяцев года). Далее следует рассчитать полный коэффициент тепловых потерь (раздел 3, формулы (3.5) – (3.16)) для каждого месяца, задав опре- деленное значение температуры пластины Тп. Доля f месячной тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет сол- нечной энергии, есть функция безразмерных комплексов X и Y, определяемых выражениями (5.3) и (5.4). Эти комплексы должны рассчитываться для соответствующих месяцев года при каждом за- данном значении площади коллектора. Уравнения (5.3) – (5.4) сле- дует переписать так, чтобы в левых частях стояли величины X/Fk и Y/Fk, которые представлены в столбцах 5 и 7 табл. 6.2. Таблица 6.2 Месяц Число дней в месяце Число секунд в месяце, 106 Qг.в, Дж 100 – TB, ºC X/Fk, м-2 Еk, МДж/м2·день Y/Fk, м-2 1 2 3 4 5 6 7 Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Данные о среднемесячной температуре наружного воздуха мож- но найти в справочнике метеоданных, а значение базисной темпера- туры равно 100 ˚C (столбец 4 табл. 6.2). Среднемесячный дневной приход радиации на наклонную поверхность приведен в табл. 6.1 (столбец 6 табл. 6.1). Для системы горячего водоснабжения значения X/Fk, указанные в столбце 5 табл. 6.2, необходимо умножить на поправочный коэф- фициент, даваемый выражением (5.5). Заметим, что этот коэффици- ент зависит от TB и изменяется от месяца к месяцу. Скорректиро- ванные значения X/Fk представлены в столбце 1 табл. 6.3. 25 Умножая X/Fk и Y/Fk на площадь коллектора, получаем X и Y (см. табл. 6.3). Значения этих комплексов при различной площади коллектора приведены в столбцах 3 и 4 для соответствующих меся- цев года. Доля месячной нагрузки f, обеспечиваемой за счет сол- нечной энергии, определяется в зависимости от X и Y с помощью уравнения (5.7). Значения f указаны в столбце 5. Месячное количе- ство солнечного тепла (столбец 6) определяется умножением f на месячную нагрузку горячего водоснабжения. Таблица 6.3 Месяц X/Fk Y/Fk Площадь коллектора, м2 2 4 6 X Y f f Qг.в, 109, Дж X Y f f Qг.в, 109, Дж X Y f f Qг.в, 109, Дж 1 2 3 4 5 6 3 4 5 6 3 4 5 6 Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Сумма Доля сезонной нагрузки, обеспечи- ваемой за счет солнечной энергии Доля сезонной нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, равна отношению сезонного количества солнечного тепла (сумма столбца 6 табл. 6.3) к сезонной тепловой нагрузке (сумма сезонных расходов теплоты, рассчитанных по формуле 4.1). Резуль- таты расчетов должны быть представлены графически в виде зави- симости доли сезонной нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, от площади коллектора. Затем следует рассчитать сезон- ную экономию топлива, обеспечиваемую использованием солнеч- ной энергии, по соотношению (4.5). 26 Литература 1. Внутренние санитарно-технические устройства: в 3 ч. / В.Н. Бо- гословский и др.; под ред. И.Г. Староверова и Ю.И. Шиллера. – Ч. 1: Отопление. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1990. – 344 с. 2. Бекман, У. Расчет систем солнечного теплоснабжения / У. Бек- ман, С. Клейн, Дж. Даффи. – М.: Энергоиздат, 1982. – 80 с. 3. Валов, М.И. Системы солнечного теплоснабжения / М.И. Ва- лов, Б.И. Казанджан. – М.: Изд-во МЭИ, 1991. – 140 с. 4. Даффи, Дж. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии / Дж. Даффи, У.А. Бекман. – М.: Мир, 1977. – 420 с. 5. Харченко, Н.В. Индивидуальные солнечные установки / Н.В. Харченко. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 208 с. 6. Авезов, Р.Р. Солнечные системы отопления и горячего водо- снабжения / Р.Р. Авезов, А.Ю. Орлов. – Ташкент: Фан, 1991. – 285 с. 7. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения / под ред. Э.В. Сарнац- кого, С.А. Чистовича. – М.: Стройиздат, 1990. – 325 с. 27 ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица П1 Средние месячные поступления суммарной Е и диффузной Ед (ккал/см2) солнечной радиации на горизонтальную поверхность, средняя температура наружного воздуха ТВ, С Месяц Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Брест,   52,2 Е 9,8 14,0 15,6 15,0 11,9 8,6 Ед 5,2 7,1 6,9 7,1 5,8 4,2 ТВ 7,3 14,2 17,0 18,8 17,6 13,4 Владивосток,   43,1 Е 18,0 21,5 21,4 21,3 18,5 14,8 Ед 5,4 6,2 6,0 6,2 5,4 4,1 ТВ 4,7 9,7 13,8 18,4 21,0 16,8 Гомель,   52,5 Е 9,8 13,6 15,0 14,8 12,2 8,1 Ед 5,3 6,7 6,9 7,0 5,8 4,1 ТВ 6,3 13,7 16,9 18,6 17,4 12,5 Горький,   56,5 Е 9,6 14,1 15,1 14,8 11,2 6,6 Ед 5,1 6,8 6,3 6,5 5,1 3,9 ТВ 3,4 11,2 16,3 18,1 16,3 10,7 Минск,   54 Е 9,37 13,53 15,03 14,41 11,33 7,45 Ед 5,12 6,65 6,95 6,89 5,65 3,97 ТВ 5,3 12,6 16,0 17,8 16,2 11,6 28 Окончание табл. 1П Месяц Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Пярну,  58,4 Е 10,05 14,61 15,11 13,52 11,64 6,70 Ед 5,00 7,04 7,71 7,51 5,79 3,96 ТВ 2,8 10,3 14,7 17,3 16,0 11,7 Рига,   57 Е 9,0 13,1 12,8 13,6 10,7 6,75 Ед 4,02 5,26 5,61 5,69 4,71 3,41 ТВ 5,2 11,5 15,4 18 16,5 12,2 Саратов,   51,5 Е 11,97 15,95 16,30 19,02 16,03 11,13 Ед 5,75 6,74 6,53 6,44 5,37 4,13 ТВ 5,8 15,1 20,0 22,1 20,6 14,1 Семипалатинск,   50,5 Е 10,5 14,6 17,3 16,2 13,2 11,5 Ед 5,5 6,5 6,6 6,6 5,8 3,8 ТВ 3,8 13,9 20,0 22,1 19,9 13,2 Тарту,   58,4 Е 10,05 14,61 15,11 13,52 11,64 6,70 Ед 5,00 7,04 7,71 7,51 5,79 3,96 ТВ 3,9 10,6 14,8 17,3 15,5 10,8 29 Таблица П2 Средние месячные поступления суммарной Е и диффузной Ед (МДж/м2) солнечной радиации на горизонтальную поверхность, средняя температура наружного воздуха ТВ, С Месяц Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Братск,   56,4 Е 482 591 637 603 465 310 Ед 260 293 281 264 218 155 ТВ –1,5 6,2 13,3 18,0 14,8 7,8 Витебск,   54,8 Е 385 548 620 595 461 293 Ед 218 276 293 281 235 163 ТВ 5,0 12,6 16,0 18,0 16,3 11,2 Гродно,   53,6 Е 385 540 603 590 469 318 Ед 222 301 314 314 247 176 ТВ 6,3 13,0 16,2 18,0 16,8 12,6 Душанбе,   38,7 Е 515 738 846 884 787 633 Ед 235 256 251 276 230 193 ТВ 15,0 19,6 24,5 26,5 24,2 19,4 Кострома,   58 Е 411 540 591 591 461 238 Ед 218 264 285 285 235 142 ТВ 2,6 10,5 15,2 17,6 15,6 9,7 Красноярск,   56 Е 469 562 654 628 494 302 Ед 243 281 276 285 226 155 ТВ 1,7 9,1 16,4 19,4 16,2 9,6 30 Продолжение табл. П2 Месяц Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Кемерово,   55,3 Е 444 548 646 675 498 319 Ед 222 230 264 298 230 151 ТВ 1,0 9,7 16,2 18,5 15,4 9,5 Курск,   51,8 Е 381 553 629 612 495 339 Ед 209 268 281 281 231 163 ТВ 5,8 13,7 17,4 19,3 18,2 12,6 Куйбышев,   53,3 Е 493 637 679 654 540 344 Ед 214 247 247 256 214 151 ТВ 5,1 14,1 18,7 20,7 19,0 12,6 Новосибирск,   54,9 Е 465 595 633 641 494 327 Ед 222 264 264 268 226 155 ТВ 0,6 10,6 16,6 19,0 16,2 10,2 Могилев,   53,8 Е 402 553 628 615 494 306 Ед 209 281 293 293 234 164 ТВ 5,4 12,9 16,4 18,2 16,6 11,6 Псков,   58 Е 373 532 591 570 427 243 Ед 205 264 277 281 222 138 ТВ 4,0 11,0 15 ,2 17,6 15,7 10,8 31 Окончание табл. П2 Месяц Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Самарканд,   40 Е 524 708 825 855 784 620 Ед 247 230 222 218 197 172 ТВ 13,8 19,2 23,2 25,6 23,7 18,6 Слуцк,   53 Е 396 574 594 579 495 305 Ед 225 288 294 295 249 171 ТВ 6,2 13,1 16,1 17,8 16,6 12,1 Якутск,   62,0 Е 499 566 633 603 444 277 Ед 214 264 247 260 184 130 ТВ 7,2 5,9 15,4 18,7 14,8 6,2 32 Таблица П3 Среднемесячное суточное поступление суммарной Е и диффузной Ед солнечной радиации, МДж/(м2день), на горизонтальную поверхность и температура наружного воздуха ТВ, ºС Месяц Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Алматы,   43,4 Е 16,54 20,52 22,66 23,62 20,79 16,96 Ед 6,95 8,1 7,78 6,88 6,34 5,28 ТВ 10,3 16,0 20,3 22,9 21,7 15,6 Ашхабад,   38 Е 18,34 24,16 26,83 26,59 24,97 20,57 Ед 7,78 8,1 7,92 7,83 6,48 5,98 ТВ 16,4 22,8 27,3 29,3 27,7 22,6 Баку,   41,1 Е 24,05 27,13 29,61 27,40 25,11 20,01 Ед 4,73 5,26 6,53 6,34 5,4 3,89 ТВ 11,8 18,4 23,4 26,5 26,3 22,1 Ереван,   40,1 Е 19,18 24,97 28,22 27 25,11 20,15 Ед 8,02 8,23 7, 78 6,88 6,34 5,28 ТВ 11,1 15,9 20,1 24,0 24,2 20,0 Киев,   50,5 Е 13,9 18,76 21,82 20,52 17,28 12,65 Ед 7,51 9,18 10,0 9,45 7,69 5,84 ТВ 7,2 14,3 17,6 18,8 17,7 13,7 Кишинев,   47 Е 15,84 20,25 23,07 23,62 20,11 14,73 Ед 8,48 9,18 10,0 9,04 7,83 5,98 ТВ 9,3 15,6 19,2 21,4 20,5 15,7 33 Продолжение табл. П3 Месяц Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Москва,   55,8 Е 13,34 18,63 19,74 19,17 15,12 10,0 Ед 7,51 8,31 9,73 10,26 8,1 6,12 ТВ 4,0 11,7 16,0 18,3 16,3 10,7 Одесса,   46,5 Е 16,82 21,73 24,05 23,08 20,65 15,57 Ед 7,64 8,5 8,48 7,83 6,61 5,42 ТВ 8,9 15,8 20,2 22,8 21,9 17,1 Омск,   55 Е 15,94 19,42 21,82 20,50 15,99 11,09 Ед 7,14 8,70 9,13 8,70 7,60 5,43 ТВ 1,3 10,7 16,6 18,3 15,9 10,4 Полтава,   49,5 Е 13,95 18,86 21,91 20,95 17,64 13,7 Ед 6,83 8,17 8,46 8,17 7,25 5,49 ТВ 7,8 15,6 18,3 20,5 19,6 14,3 Свердловск,   57 Е 15,5 18,52 20,67 19,45 15,26 9,63 Ед 7,53 8,77 9,37 9,06 7,58 5,43 ТВ 2,6 10,1 15,6 17,4 15,1 9,2 Таллин,   59 Е 13,5 18,2 21,0 19,1 14,1 8,6 Ед 6,3 7,5 9,5 8,7 6,9 4,4 ТВ 2,4 8,8 13,5 16,6 15,4 10,9 34 Окончание табл. П3 Месяц Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Ташкент,   41,3 Е 17,51 23,22 26,34 27,13 24,43 19,46 Ед 6,25 6,75 5,84 5,13 4,99 4,31 ТВ 14,4 20,0 24,7 26,9 24,9 19,4 Тбилиси,   41,7 Е 16,12 19,71 22,8 22,41 20,52 15,29 Ед 7,23 7,83 7,64 7,83 6,75 5,42 ТВ 11,9 17,3 21,1 24,4 24,2 19,6 Фрунзе,   43 Е 17,37 21,6 25,16 24,3 21,73 17,37 Ед 7,78 6,91 7,78 7,56 6,48 5,56 ТВ 11,4 16,9 21,3 24,1 22,6 17,3 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ СИСТЕМ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. РАСЧЕТ ПРИХОДА РАДИАЦИИ НА НАКЛОННУЮ ПОВЕРХНОСТЬ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3. КЛАССИФИКАЦИЯ И ВЫБОР КОЛЛЕКТОРОВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 5. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАМЕЩЕНИЯ (f-МЕТОД). . . 20 6. ПРИМЕР РАСЧЕТА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 ПРИЛОЖЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Учебное издание НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ Методические указания к курсовой работе для студентов специальности 1-43 01 06 «Энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент» Составители: КРИВОШЕЕВ Юрий Константинович ХУТСКАЯ Наталия Геннадьевна Редактор Е.О. Коржуева Компьютерная верстка А.Г. Занкевич Подписано в печать 22.08.2011. Формат 60841/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 2,09. Уч.-изд. л. 1,64. Тираж 100. Заказ 1153. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Проспект Независимости, 65. 220013, Минск. Министерство образования Республики Беларусь