0,02 0,04 0,06 0,08 01 0,12 0,П

Ряс. 16.14. Тштчвые характеристики различных типов коллекторов солнечной энергии

/-НПК-2 с алюминиевым штампованным абсорбером; 2-НПК-2 с антиотражательным покрытием на трех поверхностях остекления; i СПК 1 с покрытием «черный хром» на стальном абсорбере; 4 вакуумированный стеклянный трубчатый коллектор с селективным концентрическим абсорбером; 5-НПК 1 (Я-неселективный; С - селективный; ПК-плоский коллектор; 1, 2 число слоев остекления)

Г„ и , -температура теплоносителя на входе в КСЭ и выходе из него, °С.

Мгновенный КПД плоского КСЭ равен:

Лк = Ло-у-(7;.„-Тз),

(16.8)

где К, - эффективный коэффициент теплопотерь КСЭ, ВтДмК); - температура наружного воздуха, °С; Ло~ эффективный оптический КПД КСЭ.

Характеристика КСЭ-зависимость от (Tj н - Tjly, определяется при его испытании и изображается прямой с нулевой ординатой, равной оптическому КПД при нормальном падении лучей г)", а тангенс угла наклона прямой дает величину К. На рис. 16.14 показаны характеристики наиболее употребительных типов КСЭ. Эффективный оптический КПД для КСЭ с южной ориентацией г\„ = = 0,95го при однослойном остеклении и Г1„ = 0,93го при двухслойном остеклении. При наличии теплообменника в контуре КСЭ величины и г)о необходимо умножить на 0,97.

КПД КСЭ равен нулю в том случае, если плотность потока солнечной энергии не превышает критического значения:

/kp = (7;.„-tj.

(16.9)

няя величина КПД КСЭ за определенный период времени (день, месяц, год) равна:

П. = ЧЦ.1Ж- (16.10)

Суммирование производится только для тех отрезков времени, когда 1 > 1, при этом /-средняя плотность потока солнечной энергии для рассматриваемого периода, Вт/м.

В табл. 16.3 приведены значения максимальной температуры теплоносителей Т*"", оптического КПД Г)„, коэффициента теплопотерь и удельной стоимости основных типов КСЭ.

ТАБЛИЦА 16.3 ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ КСЭ

Тип коллектора

Неселективный плоский КСЭ: с однослойным остеклением НПК-1

с двухслойным

остеклением

НПК-2

без остекления Селективный плоский КСЭ. с однослойным остеклением СПК-1

с двухслойным остеклением СПК-2 Фоклин (коэффициент концентрации 1,5) Параболо-цилин-дрический концентратор ПЦК Вакуумирован-ный стеклянный трубчатый коллектор ВСТК

0,7-0,85

0,65-0,8 0,9-0,95

0,65-0,8

0,6-0,75

7-10

4-6 18-22

4,5-6

0,7-0,8

50-150

120-220

300 0,65-0,85 0,6-0,9 400-600

200-3(Ю

Следовательно, г] > О при 7 > I . Сред-

120-250 0,5-0,75

Теплопроизводительность КСЭ. Мгновенное количество полезной энергии, даваемой КСЭ, Вт, равно:

m,cF,{T, ,-T,J, (16.11)

где площадь поверхности КСЭ, м.

Среднемесячная удельная суточная теплопроизводительность КСЭ, МДжДм • день)

(16.12)

ТАБЛИЦА 16.4 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КСЭ

где £ - среднемесячное поступление солнечной энергии на поверхность КСЭ за день, МДжДм • день);

Ф-среднемесячная величина степени использования солнечной энергии в КСЭ, т. е. доля общего количества солнечной энегии, поступающей на поверхность КСЭ при 1 > .

Годовая теплопроизводительность системы солнечного теплоснабжения (ССТ) Ql°* меньше годовой теплопроизводительности КСЭ Ql°* на величину теплопотерь в трубопроводах, аккумуляторе теплоты и системе распределения теплоты, а также на величину неиспользованного избытка полезной энергии, которая тем больше, чем больше площадь КСЭ и меньше доля нагрузки горячего водоснабжения.

Максимальная годовая теплопроизводительность плоского КСЭ в IV климатической зоне составляет 750-1000, а в III зоне-450-650 кВтДм-год). Так, при =

= 1250 кВт чДм • год), TI"" = 8Х, T, = 60°С, Qk""" = 500 кВт-ч/(м год) потери в системе ССГВ достигают 30% и ЙГ"" = = 350 кВтчДм год). В системах ССТ площадь КСЭ значительно больше, чем в ССГВ, летом возникает неиспользуемый избыток теплоты и б""= 200 кВтчДмгод). Наиболее существенно на влияют метеопараметры {Е, Г„ и EJE), характеристики КСЭ {К, у\, Р и aj, аккумулятора теплоты (К и К и трубопроводов (Xjp и /р), доля нагрузки горячего водоснабжения 2г.в/6н-

Величина Ф зависит от г\„ и КСЭ, а также от местоположения и назначения гелиосистемы. Эту зависимость можно представить в виде формулы

Ф= 1 - аР + аР,

Р - (Г,.„ - Гз)/К;

(16.13) (16.14)

7 д и 7 - среднемесячные температуры теплоносителя на входе в КСЭ и наружного воздуха, °С; К,-среднемесячная величина коэффициента ясности атмосферы (см. табл. 16.1); и 2 " коэффициенты для основных типов КСЭ, приведенные в табл. 16.4.

Ориентация, угол наклона, размещение и соединение модулей КСЭ. Оптимальная ориентация КСЭ-южная. При отклонении до 30° к востоку или западу от южного направления годовое количество поступающей солнечной энергии уменьшается на 5-10%.

Оптимальный угол наклона КСЭ Р равен широте местности ф для систем круглогодичного действия, р = ф -ь 15° для систем, работающих только в отопительный сезон, и Р = Ф - 15° для систем, работающих только в летний период.

КСЭ можно размещать на наружных ограждениях здания (крыше, стенах, ограждениях балконов и т. п.) или отдельно от него. Стоимость ССТ значительно снижается при совмещении КСЭ с крышей здания. Теплопроизводительность КСЭ снижается на 2-5% при затенении непрозрачными элементами конструкции и запылении.

При большой площади КСЭ отдельные его модули соединяются между собой по параллельно-последовательной схеме, образуя массив или поле КСЭ. Эффективность поля КСЭ практически всегда ниже КПД отдельного модуля из-за теплопотерь соединительных трубопроводов, неравномерности распределения теплоносителя, тепловой инерции и т.п.

16.4. Классификация и выбор аккумуляторов теплоты

Типичные годовой и суточный графики поступления солнечной энергии и изменения нагрузки теплоснабжения здания приведены на рис. 16.15. Применение аккумуляторов теплоты повышает надежность ССТ, обеспечивает покрытие нагрузки ночью и при повышенной облачности, снижает расход топлива.

Системы аккумулирования теплоты (CAT) работают на основе накопления явной или скрытой теплоты и характеризуются энергоемкостью, мощностью потоков подводимой и отводимой теплоты, продолжительностью цикла аккумулирования (краткосрочное - от 6-12 ч до 10 сут и долгосрочное-от 10 сут до

МЕСЯЦЫ

12 16 20 О 4

ВРЕМЯ ДНЯ, Ч

Рис. 16.15. Типичные годовой (а) и суточный (б) графики изменения количества поступающей солнечной энергии Е и тепловой нагрузки теплоснабжения здания Q

£]-используемая солнечная энергия, £2-избыток солнечной энергии (может быть аккумулирован); £3-дефицит солнечной энергии (может быть покрыт из дополнительного источника или аккумулятора тепла)

нескольких месяцев аккумулирование), объемной плотностью энергии, диапазоном температур, коэффициентом теплопотерь, капитальными и эксплуатационными затратами. CAT включает теплоаккумулирующий материал (ТАМ), резервуар и тепловую изоляцию. В жидкостных ест для аккумулирования теплоты используются баки с горячей водой, обладающей высокой теплоемкостью, а в ССТ с воздушным КСЭ-резервуары с галькой и другими твердыми материалами.

Количество аккумулированной теплоты при отсутствии фазовых переходов ТАМа равно:

QmcJT-T,),

(16.15)

где Ti и - температура ТАМа до и после зарядки аккумулятора, °С; т-масса ТАМа, кг; Ср-удельная изобарная теплоемкость ТАМа, кДж/(кг • °С).

При суточном аккумулировании теплоты удельный объем водяного бака-аккумулятора для жидкостных ССТ принимается равным 0,05-0,15 м, а галечного аккумулятора для воздушных ССТ-0,15-0,35 м на 1 м площади поверхности КСЭ.

Применение ТАМов фазового перехода (плавление-затвердевание) обеспечивает большую объемную плотность аккумулируемой энергии и позволяет уменьшить их массу и объем (табл. 16.5 и 16.6).

Количество теплоты, аккумулируемой при плавлении ТАМа, равно:

е = тЫТ, - Т,) + А/ + с,(Г2 - Г„„),

(16.16)

где и с-удельная теплоемкость твердого и жидкого ТАМа, кДж/(кг-°С); Дг„„-скрытая теплота

ТАБЛИЦА 16.5 СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТАМов ДЛЯ АККУМУЛИРОВАНИЯ 1 ГДж ТЕПЛОТЫ (РАЗНОСТЬ ТЕМПЕРАТУР В АККУМУЛЯТОРЕ ТЕПЛОТЫ ПРИНЯТА

10°С)

Масса, кг Объем, м

Галька* Вода

Глауберова соль Парафин

113 636 23 866 3 723 4794

71,74 23,9 2,55 5,27

♦ Порозность слоя гальки равна 0,4

плавления ТАМа, кДж/кг; 7 - температура плавления, °С

Применение сезонных CAT и аккумуляторов теплоты фазового перехода пока экономически нецелесообразно.

16.5. Общие положения

расчета систем солнечного отопления и горячего водоснабжения

Точный тепловой расчет ССТ затрудняется из-за влияния случайных колебаний климатических условий и сложного характера взаимодействия между элементами системы. Поэтому в инженерной практике обычно используются полуэмпирические методы, которые основаны на обобщении результатов подробного моделирования ССТ с помощью ЭВМ и дают возможность получить долгосрочные характеристики ССТ.

Цель теплового расчета ССТ состоит в определении: удельной суточной тепловой производительности системы q; площади луче-поглощающей поверхности КСЭ; объема теплового аккумулятора V; удельного массового расхода теплоносителя в контуре КСЭ т; ориентации (азимута aj и угла наклона Р КСЭ к горизонту; площади поверхностей нагрева теплообменников в контурах КСЭ и потребителя; годовой степени замещения топлива /.и расхода дополнительной энергии бд „ э-

Исходные данные для расчета ССТ включают:

а) местоположение гелиосистемы- широта, долгота и высота местности над уровнем моря;

б) климатические данные: среднемесячное дневное количество суммарной Е и диффузной

солнечной радиации, поступающей на гори-