Энергоактивные здания - Расчет и обобщение тепловых характеристик систем солнечного теплоснабжения для южных районов

Расчет и обобщение тепловых характеристик систем солнечного теплоснабжения зданий для южных районов СССР
С. И. Смирнов, Б. В. Тарнижевский

 Расчет систем солнечного теплоснабжения достаточно сложен. К тому же не для всех пунктов, где можно использовать эти системы, имеются необходимые метеорологические наблюдения, служащие основой этих расчетов. Поэтому очень важно создать метод, позволяющий свести к минимуму исходную климатическую информацию и упростить расчеты. Ранее нами был изложен метод обобщенного расчета основных параметров систем солнечного горячего водоснабжения [13]; создание подобного метода возможно и для систем солнечного теплоснабжения, сочетающих отопление зданий и горячее водоснабжение.
Из принципиальной схемы теплоснабжения дома (рис. 4.15) видно, что предметом расчета является воздушная система отопления, позволяющая использовать для отопления теплоту относительно невысокого потенциала. Расчет указанной системы солнечного теплоснабжения проводился с помощью полуэмпирического f-метода [14] для более чем 70 пунктов территории СССР, расположенных в Казахстане, Средней Азии, Закавказье, Украине, южных районах европейской части РСФСР.
Расчеты проводились при следующих исходных условиях; температура воздуха в отапливаемом помещении tо=18° С, удельный расход антифриза в контуре солнечного коллектора 50 кг/(м²·ч);
эффективность теплообменника первого контура ε1=0,7;
удельная емкость водяного аккумулятора VА=75 л/м²;
суточная нагрузка горячего водоснабжения здания в расчете на 1 м² жилой площади l=517 Вт·ч, что соответствует суточному потреблению горячей воды 100 л/чел., разности температур горячей и холодной воды 40° С и норме жилой площади 9 м² на 1 чел.,
ориентация солнечного коллектора — южная при угле наклона φ+15° (где φ — широта местности);
массовые расходы антифриза и воды в теплообменнике первого контура одинаковы;
для водовоздушного теплообменника выполняется условие

Таблица 4.4. Тепловые характеристики солнечных коллекторов

Расчеты проводились для трех типов солнечных коллекторов, основные характеристики которых приведены в табл. 4.4.
Основными параметрами системы солнечного теплоснабжения, подлежащими определению, являются удельная (в расчете на 1 м² солнечного коллектора) годовая тепло- производительность q и годовой коэффициент замещения тепловой нагрузки отопления и горячего водоснабжения f (т е. доля суммарной нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии). Искомые величины являются функциями ряда параметров;
(4.40)
где Q, D — соответственно средние месячные суммы суммарной и рассеянной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность для всех 12 месяцев годового цикла; tb — среднемесячная температура воздуха, φ — географическая широта местности

Эти величины являются параметрами данного географического пункта, где предполагается реализовать систему солнечного теплоснабжения.
Остальные параметры N — тип коллектора (см. табл 4 4); F/S — отношение площади коллектора к отапливаемой площади дома.
Параметр r определяется выражением
(4.41)
где числитель — суточная нагрузка отопления при нулевой температуре наружного воздуха (К —  суточная кратность обмена воздуха в помещении), а знаменатель — суточная нагрузка горячего водоснабжения.
При заданных значениях площади здания, кратности обмена воздуха и суточной нагрузки горячего водоснабжения r будет тем больше, чем больше λ, т е. удельные тепловые потери дома. Таким образом, r можно рассматривать как характеристику теплоизолирующих свойств зданий Рост r соответствует увеличению тепловых потерь Реальные значения r лежат в пределах 1—3. Так, при λ=0,75 Вт/(м³·град), K=3сут, V/S=2,8 м и l=517 Вт·ч/(м²·сут), r=1,85.
Расчеты искомых величин q и f проводились на ЭВМ ЕЭС 1033 по методу [21] для более чем 70 пунктов СССР с использованием среднемесячных значений Qi, Di, tbri при значениях исходных параметров F/S=0,25, 0,5; 0,75; r= 1; 2; 3 и для указанных в табл. 4.4. трех типов коллекторов. В результате для каждого из пунктов получено 27 значений q и f при различных сочетаниях исходных параметров.
На рис. 4.16 приведена зависимость f от параметра F/S для трех географических пунктов, различных по широте и климатическим условиям, и для трех рассматриваемых типов солнечного коллектора Как следует из рисунка, климатические условия существенным образом влияют на величину f, характер же зависимости f от F/S для всех пунктов одинаков Видно также, что наиболее эффективным во всех случаях является солнечный коллектор II типа, наименее эффективным — I типа Применение двойного остекления для селективного коллектора с указанными в табл 4.4 характеристиками (111 тип) нецелесообразно.
На рис. 4.17 для одного из пунктов (Астрахань) и I типа коллектора показана зависимость f и q от F/S и r. Как видно, с ростом F/S удельная теплопроизводительность q снижается, а коэффициент замещения f возрастает. Зависимость q и f от r также различна. При фиксированном значении F/S q слабо зависит от r. Коэффициент же замещения f, напротив, существенно снижается с ростом r.
Если же поставить условием обеспечение заданного значения f при различных величинах r, то этого можно добиться только при существенной разнице в площади коллекторов и, как следствие, удельной теплопроизводительности. Так, например, из рис. 4.19 следует, что при f=0,5 величина параметра F/S при r=1, 2 и 3 составит соответственно 0,31, 0,49, 0,75, а величина q будет при этом 430, 350 и 280 кВт·ч/(м²·год)
При прочих равных условиях наибольшие значения f и q могут быть достигнуты при r=0, т. е при обеспечении нагрузки только горячего водоснабжения.
В табл. 4.5 для некоторых пунктов и I типа коллектора даны величины удельной годовой теплопроизводительности в зависимости от r.

Таблица 4.5. Удельная годовая теплопроизводительность

Полученные расчетные величины годового коэффициента замещения нагрузки f хорошо аппроксимируются линейной зависимостью от годового прихода суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность.
На рис. 4.18 в качестве примера показана зависимость f от Q для случая коллекторов II типа F/S=0,5 и r=1. Как видно, расчетные точки группируются достаточно плотно относительно аппроксимирующей прямой. Анализ 27 таких зависимостей для различных сочетаний исходных параметров N, F/S и r показал, что из общего числа 1755 расчетных точек разброс 60% из них не превышает 5% разброс 97% точек не превышает 15%.
Линейная аппроксимация зависимости f от Q может быть выражена уравнением вида
Вычисленные значения т и n приведены в табл. 4.6 и 4.7 для различных типов солнечного коллектора.

Таблица 4.6 Значения т

Для некоторых из рассмотренных в расчете географических пунктов зависимость (4.42) не соблюдается, для них значения лежат выше прямой (4.42) на 0,1—0,2. Это относится к пунктам, расположенным в западной части Закавказья, главным образом, в Грузии (Тбилиси, Палка, Сухуми, Цхакая, Сочи и др.), а также на южном берегу Крыма (Никитский сад). Более высокие расчетные значения коэффициента замещения для указанных пунктов объясняются более высокой температурой воздуха зимой по сравнению с другими пунктами, в которых имеют место те же величины годового прихода радиации.
Таким образом, на основе зависимости (4.42) для большинства районов южной части СССР, располагая только величинами годового прихода суммарной солнечной радиации и заданной нагрузки, можно определить годовой коэффициент замещения, что необходимо в практике проектирования, а также для предпроектных расчетов для определения основных технико-экономических характеристик предполагаемой к созданию системы солнечного теплоснабжения того или иного объекта.
Предложенный метод расчета рекомендуется к использованию также в тех случаях, когда по данному пункту отсутствует климатическая информация, необходимая для всех других методов расчета, включая и использованный в настоящей работе f-метод.

Список литературы

1. Богословский В. Н., Поз М. Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха М : Стройиздат, 1983, 320 с.
2. Lippold Н. Trogisch J., Friedrich Н. Wissensspeicher Solartechnik. VEB Fachbuchverlag. Leipzig, 1984, 324 s.
3. Рабинович M., Турий К., Хоменко А. Опыт монтажа гелиосистем на сельских объектах — Сельское строительство, 1983, № 1.
4. Насонов Е. А. Обобщить опыт экспериментального проектирования и строительства жилых и общественных зданий с системами гелиотеплохолодоснабжения в различных районах страны и подготовить задания на разработку типовых проектов и проектов повторного применения/ТашЗНИИЭП (Отчет 1983 г.)
5. Булкии С. Г., Плешка М. С. Определение теплотехнических характеристик солнечных абсорберов/ Сб. тр. МИСИ, 1984, № 189
6. Bulkin S. Untersuchung der Stoff-und Warmeubertragungsvorgangen an Solarabsorbern. Dissertation TU Dresden 1981, 120 s.
7. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М . Энергоиздат, 1982.
8. Haubler W. Entwickiungsstand und Emsatzmoglichkeiten der Warmepumpe. VI. Warmetechnischer Tagung, Teil I, Warmepumpen, К M Stadt, 1978, s. 6—18.
9. Zold A. Incorporated heat storage system — 7th International Congress of Heating and Air Condittioning «Ciima 2000» Budapest, 1980.
10. Даффи Дж. А., Бекман У. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. — М.: Мир, 1977.
11. Erdman Р. Heisst die kemmende technisehe Revolution-Sennenenergie. Heizung und Luftung 1, 1983.
12. Воробьев X. С., Буданов Б. Ф. Резервы экономии топливно-энергетических ресурсов. — Строительные материалы. 1981, № 1. — с. 4- 6.
13. Л. В. Авдеева, С. И. Смирнов, Б. В. Тарнижевский, О. Ю. Чебунькова. Расчет теплопроизводительности систем солнечного горячего водоснабжения для южных районов СССР. — Гелиотехника. 1983. № 3. - с. 39 42.
14. У. Бекман, С. Клейн, Дж. Даффи. Расчет систем солнечного теплоснабжения. Пер. с англ. — М Энергоиздат, 1982.