Технические науки/ 5. Энергетика

Селихов Ю.А., Коцаренко В.А., Давыдов В.А.

Национальный технический университет

«Харьковский политехнический институт»,  Харьков

 

ДВУХКОНТУРНАЯ СОЛНЕЧНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ

Постановка проблемы. Важным направлением экономии топливно-энергетических ресурсов является использование в энергоснабжении, в том числе в тепло- и хладоснабжении, возобновляемых источников энергии. К возобновляемым источникам энергии относят: тепло Земли; энергию Солнца; энергию ветра; тепло, выделяемое при сжигании биомассы; энергию Мирового океана (волн, приливов и отливов); биотопливо (энергию бактерий);  и фотосинтез (энергию молекул). Расширение масштабов использования энергии Солнца для целей тепло- и хладоснабжения сдерживается в основном из-за сравнительно высоких удельных капиталовложений в сооружение солнечных установок по сравнению с системами, работающими от традиционных источников энергии. В связи с этим в ряде западных стран разработаны специальные программы, стимулирующие применение солнечных установок в частном, коммерческом и муниципальном секторах [1].

Анализ последних исследований и публикаций. В Украине установки солнечного тепло- и хладоснабжения, тепловые насосы и ветроэлектрогенераторы на объектах гражданского и промышленного строительства пока не получили широкого внедрения, что связано с относительно низкими по сравнению с другими странами ценами на традиционные энергоносители и недостаточной подготовленностью рынка, а также оно сдерживается высокой металлоемкостью и себестоимостью солнечных коллекторов и тепловых насосов, и не подготовленностью нашего рынка к выпуску ветроэлектрогенераторов.

Поэтому, на наш взгляд, актуальной является концепция создания таких новых теплоэнергетических систем, в которых в качестве источников энергии будут использованы возобновляемые источники энергии. Для таких теплоэнергетических систем будут сконструированы новые конструкции солнечных установок, тепловых насосов и ветроэлектрогенераторов, когда расходы на выработку тепловой энергии и электроэнергии с помощью этих установок будут ниже уровня суммарных расходов на получение тепловой энергии и электроэнергии традиционными способами (в частности, в котельных установках). Одновременно с этим срок окупаемости таких теплоэнергетических систем должен быть соизмерим с гарантийным сроком их эксплуатации. Это может достигаться за счет использования дешевых отечественных материалов, выпуск которых гарантирован в достаточных объемах в течение длительного срока в Украине. Поэтому использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, экономия органического топлива, которое нужно для нагревания теплоносителя с 8 до 95 °С, улучшение экологической ситуации района потребления тепловой энергии за счет снижения объемов выбросов загрязняющих веществ, к которым относятся продукты сгорания традиционных видов энергии, - органического топлива, которое используется для производства тепловой энергии в котельном оборудовании, производство электроэнергии с помощью ветроэлектрогенераторов являются актуальными задачами.

Цель статьи. Предлагается двухконтурная солнечная установка  плоско- капиллярного безнапорного типа, с коллектором специальной конструкции из полимерной пленки, в которой теплоноситель двигается под действием силы тяжести по наклонной поверхности в виде пленки жидкости [2]. Из большого количества выпускаемых солнечных коллекторов, какие применяются в солнечных установках, мы выбрали солнечные коллектора с гибкими полимерными пленочными элементами, у которых высокий КПД [3].

При необходимой ориентации наклонной поверхности с использованием смачиваемых покрытий специальной конструкции можно достигать стойкого пленочного течения по всей площади воспринимающей поверхности. Полимерная пленка выдерживает высокую температуру, солнечную радиацию, кислород воздуха, влагу, промышленные газы в течение длительного времени без значительного изменения внешнего вида, а также эксплуатационных свойств (физико-механических, физико-химических и др.).

Применение тонкопленочных солнечных коллекторов безнапорного типа из полимерной пленки позволило уменьшить риск потери дорогого теплоносителя за счет разрыва солнечного коллектора от избыточного давления. По эффективности нагрева теплоносителя на входе в коллектор и на его выходе, солнечный коллектор из полимерной пленки поглощает больше солнечного излучения чем известные коллекторы из металла, тем самым, обеспечивает нагрев теплоносителя до более высокой температуры (95°С) чем коллектор изготовленный из металла (63°С). Солнечный коллектор из полимерной пленки, предложенный нами, можно заменить в случае необходимости при засорении проходных сечений или почистить и это будет стоить значительно дешевле по сравнению с расходами на обновление коллекторов из металла. Применение коллекторов из полимерной пленки позволяет уменьшить материалоемкость солнечной установки в целом.

Двухконтурная установка представлена на рисунке 1.

 

                Рис. 1. Принципиальная схема системы солнечного горячего

водоснабжения и отопления: 1 - солнечный коллектор: 2 - циркуляционный насос: 3  - двухконтурный теплообменный аппарат; 4 – циркуляционный насос; 5 – аппарат химводоочистки; 6 – бак-аккумулятор; 7 - циркуляционный насос; 8 - калорифер; 9 - циркуляционный насос; 10 – вентилятор; 11 – здание;

12 – тепловой дублер.

 

Функционирует система солнечного горячего водоснабжения и отопления следующим обра­зом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в сол­нечных коллекторах 1, поступает в двухконтурный теплообменный аппарат 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве аппарата 3 под  действием циркуляционного насоса 4 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 6. Из бака-аккумулятора вода подается циркуляционным насосом 7 в калорифер 8, где нагревает воздух, который подается в здание 11. Воздух из здания 11 забирается из здания 11 и подается в калорифер 8, где нагревается до наобходимой температуры, и подается в здание 11. В случае недостаточной температуры воздуха в здании 11, вода циркуляционным насосом 9 подается в тепловой дублер 12, доводится до необходимости температуры и поступает в систему горячего водоснабжения и отопления здания. Тепловой дублер в здании 11 должен быть двухконтурным. Один контур производит горячую воду для горячего водоснабжения, а второй контур – для отопления здания. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется из водопровода через аппарат химводоочистки 5.

            Сделав анализ литературных источников, мы также пришли к выводу, чтобы эффективность работы коллектора не снижалась, необходимо воду для второго контура теплообменного аппарата подготовить в установке химводоочистки. В первом контуре солнечной установки теплоносителем является антифриз или незамерзающая жидкость [4]. С целью более эффективного функционирования систем автономного отопления целесообразно использовать специальную техническую жидкость. Существует жидкость, употребляемая вместо теплоносителя, а некоторые виды используются для обслуживания и очистки систем отопления. К примеру, антифриз для котлов отопления служит универсальным средством, это незамерзающая жидкость, наполняемая как в производственные системы отопления, так и для обогревания жилого дома. Если на промышленном объекте или дома системы отопления заполнены антифризом – нет угрозы замерзания теплоносителя.

Самый дешевый теплоноситель – это вода для котлов, но она должна быть специально подготовленной. Обычная вода, которая зачастую используется вместо теплоносителя для системы отопления любого дома, негативно влияет на функционирование всех элементов, с которыми она непосредственно контактирует. Накипь, которая появляется внутри системы, не только ухудшает теплоотдачу, но и  часто становится причиной поломки дорогостоящего  оборудования. От технического совершенства коллектора и стоимости зависит эффективность всей системы солнечного горячего водоснабжения и ее экономические показатели.

Нами были выполнены теплотехнические расчеты двухконтурной солнечной установки.

Поток лучистой энергии   , Вт, поглощаемой поверхностью коллектора, составит

 ,                                               (1)

где   - коэффициент пропускания солнечного излучения прозрачным покрытием, в нашем случае принимается равным 0,9, т.к. у нас одинарное стеклянное покрытие,   - коэффициент поглощения приемной поверхностью коллектора солнечного излучения, принимаем равным 0,91 для одинарного стеклянного покрытия,   - площадь освещаемой поверхности коллектора, м²;  - облученность поверхности солнечного коллектора,

Вт/ м² [5].

            В процессе поглощения энергии температура поверхности приемника повышается и становится существенно выше температуры окружающего воздуха. Это приводит к возникновению обратного теплового потока в окружающую среду [6], который определяется по уравнению

  ,                                                  (2)

где   - температура приемной поверхности коллектора, К;  -  температура окружающего воздуха, К;  - термическое сопротивление приемной поверхности коллектора для одинарного стекла принимаем равным 0,13 .

Уравнение полного количества теплоты для солнечного коллектора тогда можно представить

 .                                       (3)

Однако не вся энергия, получаемая коллектором, передается воде, а только та ее часть, которая характеризуется коэффициентом перехода  солнечной энергии, показывающим долю теплового потока   , передаваемого жидкости, принимается равным 0,85

 .                                                  (4)

Количество же тепла, требуемого для нагрева жидкости на определенную разницу температур , Вт можно записать в виде

 ,                                              (5)

где   - конечная температура воды, К;   - начальная температура воды, К;   - плотность воды, равная 1000 кг/м³;  - теплоемкость воды, 4200 ;  - объемный расход воды, м³/с.

  Уравнение теплового баланса солнечного коллектора можно записать в виде

 .                     (6)

Из уравнения баланса солнечного коллектора определяются все основные характеристики.

Зависимость полного количества теплоты, поглощаемого поверхностью коллектора от удельного количества теплоты, падающего на поверхность солнечного коллектора представлена на рис. 2.

 

Рис. 2. Зависимость полного количества теплоты,   , Вт, поглощаемого поверхностью приемника от удельного количества теплоты падающего на поверхность солнечного коллектора

Нами был выполнен  анализ расчетных данных и получены обобщающие зависимости вида  . При анализе расчетных данных с целью представления в аналитическом виде функциональ­ной зависимости, т. е. в подборе формулы, описывающей результаты расчета, были использованы возможности надстройки среды Excel (пакет анализа), а именно регрессионный анализ [7, 8]. Инструменты регрессионного анализа позволяют анализировать большие совокупности данных не только для получения основных статистических характеристик и построения соответствующих кривых зависимости (линии регрессии) для визуальной оценки, но и найти уравнение, которое наилучшим образом отображает множество данных, которые математически описывают влияние ряда независимых переменных на ожидаемый результат. При анализе коэффициентов корреляции погрешность расчетов не превышает 2 %. Зависимость  носит линейный характер и может быть представлена уравнением: , ,

где R2 – коэффициент корреляции. Зависимость  описываем уравнением . Коэффициент корреляции .

Выводы

Предлагается двухконтурная солнечная установка  плоско- капиллярного безнапорного типа, с коллектором специальной конструкции из полимерной пленки, в которой теплоноситель двигается под действием силы тяжести по наклонной поверхности в виде пленки жидкости. Установка позволяет экономить органическое топливо, которое необходимо для нагревания теплоносителя с 8 до 95 °С;  улучшить экологическую ситуацию района потребления тепловой энергии за счет снижения объемов выбросов загрязняющих веществ, к которым относятся продукты сгорания традиционных видов энергии; уменьшить материалоемкость солнечной установки в целом. Были получены обобщающие зависимости вида ,

Литература

1. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения / Р.Р. Авезов, М.А. Барский-Зорин, И.М. Васильева и др.; Под ред. Э.В. Сарнацкого и С.А. Чистовича. – М.: Стройиздат, 1990. – 328 с.: ил.

2. Геліоводонагрівник. Патент України № 75178, Бюл.№ 3, 2006.

3. Полімерна композиція. Патент України № 72078 А, Бюл.№ 1, 2005.

4. ВСН 52-86 "Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования".

5. Хахалева Л.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии : Пособие для проведения практических занятий. / Сост. Хахалева Л.В. – Ульяновск, 2008. – 32 с.

6. Даффи Дж., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии.–М: Мир, 1977.– 420 с.

7.  Додж М., Стинсон К. Эффективная работа с Microsoft Excel 2000. – СПб.: Питер, 2001. – 1056 с.

8.  Коцаренко В.О., Селихов Ю.А., Горбунов К.О. Розрахунки в середовищі Excel: учебн. пособ. – Харьков: Изд-во «Учебник НТУ «ХПИ»», 2011. –  272 с.

Аннотация

Селихов Ю.А., Коцаренко В.А., Давыдов В.А.

ДВУХКОНТУРНАЯ СОЛНЕЧНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ

Предложена двухконтурная солнечная установка для горячего водоснабжения и отопления жилого дома, которая позволяет обеспечить: реальную экономию топлива, снижение теплового загрязнения окружающей среды и уменьшение выбросов оксидов азота за счет снижения расхода топлива, сжигаемого в промышленных котельных, уменьшить материалоемкость солнечной установки в целом. Получены обобщающие зависимости: полного количества теплоты,  поглощаемого поверхностью приемника от удельного количества теплоты падающего на поверхность солнечного коллектора; количество теплоты необходимого для нагрева жидкости от температуры приемной поверхности коллектора.

Annotation

Selikhov Yu.A, Kotsarenko V.A., Davydov V.A.

TWO-CONTRACT SOLAR INSTALLATION FOR HOT WATER SUPPLY AND HEATING OF BUILDINGS

A two-circuit solar installation for hot water supply and heating of an apartment house is proposed, which allows to provide: real fuel economy, reduction of thermal pollution of the environment and reduction of nitrogen oxides emissions by reducing fuel consumption burned in industrial boiler houses, Material consumption of a solar installation as a whole. Generalizing dependences are obtained: the total amount of heat absorbed by the surface of the receiver from the specific amount of heat incident on the surface of the solar collector; The amount of heat needed to heat the fluid from the temperature of the receiving surface of the collector.