ИСКРА СВЕТА

 

ПРАКТИЧНА РОБОТА №2 Розрахунок сонячної водонагрівальної установки для будівлі




ПРАКТИЧНА РОБОТА №2

Тема програми. Енергоспоживання та екологічні проблеми (4 год.).

Тема роботи. Розрахунок сонячної водонагрівальної установки для будівлі (2 год.).

Мета роботи: розглянути конструктивні елементи та принцип дії сонячної водонагрівальної установки, набути навичок самостійного розрахунку сонячної водонагрівальної установки для будівлі.

Місце проведення: навчальний кабінет.

Обладнання: картограма розрахунку, калькулятор.

ХІД РОБОТИ

  1. Опрацюйте «Теоретичний блок», усно дайте відповіді на «Контрольний блок».
  2. Виконайте «Розрахунковий блок».
  3. Зробіть висновок.

ТЕОРЕТИЧНИЙ БЛОК

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ГЕЛІОКОЛЕКТОР

  

Сонячний колектор (геліоколектор) - пристрій для збору енергії випромінювання Сонця у видимому та невидимому для людського ока інфрачервоному спектрі.

Від ефективності роботи сонячного колектора в значній мірі залежить ефективність роботи всієї системи, оскільки чим більше сонячної енергії поглинає колектор і чим менше він її втратить, тим ефективніше працюватиме система.

На рис.1 представлено конструктивні елементи сонячного колектора  

 

 

Рис.1. Конструкція сонячного колектора

  1. знімний притискувач;
  2. под'єднувальний патрубок;
  3. силіконова ущільнювальна резинка;
  4. алюмінієвий корпус;
  5. прозора ізоляція (скло з пониженим вмістом заліза);
  6. мідний абсорбер (теплопоглинаюча панель);
  7. паралельні мідні трубки;
  8. теплоізоляція, 60 мм

2. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ГЕЛІОСИСТЕМУ

Теплову систему, що працює на основі сонячного колектора, називають геліосистемою.

Геліосистема складається з таких основних частин (рис. 2):

  • сонячний колектор;
  • насосний вузол для перекачки теплоносія від геліоколектора до бака акумулятора;
  • контролер, який керує роботою геліосистеми;
  • бак-акумулятор гарячої води;
  • піковий доводчик (тепловий насос, електричний тен чи інше джерело);
  • контролер;
  • комбінований клапан та ін. (в залежності від обраної геліосистеми).

 

 
   

У конструкції геліосистеми основним елементом є сонячний колектор або геліоколектор. Саме у поглинаючій панелі колектора під дією сонячного випромінювання, а точніше інфрачервоної його складової, і відбувається перетворення сонячної енергії в теплову. В результаті панель розігрівається, а рідкий теплоносій, який прокачується через неї, відбирає отримане тепло. Тепло передається теплоносієм в бак-акумулятор і далі по контуру нагріву води (можливо і опалення), після цього охолоджений теплоносій повертається у колектор і знову нагрівається, таким чином цикл замикається.

3. ВИДИ СОНЯЧНИХ КОЛЕКТОРІВ

Плоский сонячний колектор

Плоский колектор складається з елементу, що поглинає сонячне випромінювання, прозорого покриття та термоізолюючого шару. Поглинаючий елемент називається абсорбентом, він з'єднаний з теплопровідною системою.

 

Прозорий елемент зазвичай виконується із загартованого скла з пониженим вмістом металів (боросилікатне). При відсутності відбору тепла (застої) плоскі колектори здатні нагрівати воду до 190 - 200 °C.

Чим більше енергії випромінювання передається теплоносію, що протікає в колекторі, тим вище його ефективність. Підвищити її можна, застосовуючи спеціальне оптичне покриття, яке не випромінює тепла в інфрачервоному спектрі. Стандартним способом підвищення ефективності колектора стало застосування абсорбенту з листової міді через її високу теплопровідність.

 

Вакуумний сонячний колектор

 

Можливе підвищення температури теплоносія до 250 - 300 °C в режимі обмеження відбору тепла. Домогтися цього можна за рахунок зменшення теплових втрат у результаті використання багатошарового скляного покриття, герметизації або створення в колекторах вакууму. Фактично сонячна теплова труба схожа за будовою з побутовим термосом. Тільки  зовнішня  частина  труби  прозора, а на внутрішній трубці нанесено високоселективне покриття, що вловлює сонячну енергію.

Між зовнішньою та внутрішньою трубками знаходиться вакуум. Саме вакуумний прошарок дає можливість зберегти близько 95% уловлюваної теплової енергії. Окрім того, у вакуумних сонячних колекторах знайшли застосування теплові трубки, що виконують роль провідника тепла. При опроміненні установки сонячним світлом, рідина, що знаходиться в нижній частині трубки, нагріваючись перетворюється на пару. Пари піднімаються у верхню частину трубки (конденсатор), де конденсуючись передають тепло колектору. Використання даної схеми дозволяє досягти більшого ККД (у порівнянні з плоскими колекторами) при роботі в умовах низьких температур і слабкої освітленості. Сучасні побутові сонячні колектори здатні нагрівати воду до температури кипіння навіть при низькій навколишній температурі.

 

Гібридні сонячні колектори

 

Гібридні колектори - це сонячні колектори, що призначені для одночасного виробництва електрики та гарячої води. Гібридні колектори є новинкою на українському ринку.У них використовується новітнє рішення проблеми сонячних батарей - зменшення ККД при нагріванні.

Термосифонна геліосистема

Термосифонні геліосистеми - це найпростіший та найдоступніший тип сонячних водонагріваючих систем, що працюють на основі вакуумних трубок. Їх використовують для забезпечення гарячого водопостачання дач, приватних будинків, технічних та господарських потреб.

Вакуумні сонячні водонагрівачі ефективні для використання по всій території України у літній період та міжсезоння. Можуть працювати автономно або з автоматичним управлінням.

Незважаючи на розмаїття сонячних колекторів (у виді бака, відкриті, вакуумні та ін.), найбільше поширення одержали плоскі колектори через свою універсальність, надійність і невибагливість. Також дані геліоколектори мають досить високу ефективність.

Сонячні колектори можуть встановлюватися на горизонтальному даху або майданчику біля будинку, на похилому даху або стіні, зорієнтованих на південь, а також можуть монтуватися безпосередньо в дах. Звичайно, геліосистема на сьогоднішній день поки що дороге улаштування, з терміном окупності приблизно 9 років, але у недалекому майбутньому при сучасних темпах росту цін на енергоносії вона несе вигоду.

Сонячний колектор – це не вся геліосистема, і він не може виробляти корисну теплову енергію самостійно, якщо вся система працює не правильно.

Існує безліч варіантів геліосистем, і теплова енергія, що вони можуть виробити у визначений день - обмежена, і залежить від багатьох факторів: конфігурації системи та її конструктивних особливостей, ступеня ясності дня, температури холодної води, об'єму бака, температури навколишнього повітря, тому для коректного розрахунку геліосистем необхідно використовувати складні програмні продукти.

Використовуючи енергію сонця, геліосистеми дозволяють заощаджувати до 75% традиційного палива, яке необхідно для нагрівання гарячої води, і до 50% - необхідного для цілей опалення.

Системи сонячного теплопостачання вважаються одними із самих надійних і довговічних, за умови, якщо вони були правильно розраховані, використовувалося ефективне і якісне устаткування, а також були якісно змонтовані. Будь-яка помилка може призвести до того, що система не буде виробляти бажану кількість теплової енергії чи узагалі швидко вийде з ладу.
Сонячні колектори здатні забезпечити безкоштовною тепловою енергію з квітня по жовтень. В інший період року вони дають частину теплової енергії, іншу частину забезпечує піковий догрівач: електричний тен, тепловий насос чи газовий котел.

 

 

 

Умовне вироблення теплової енергії для нагрівання води в сонячний день геліосистемою, що складається з 1 м2

Через те, що сонячна енергія, яка надходить на земну поверхню, нестабільна в часі, колектори, майже завжди, підключаються до акумулятора теплової енергії (бак з водою чи спеціальною рідиною, басейн, ґрунт), що накопичує корисну енергію (системи без акумулювання тепла менш ефективні).

 

4. ПРИНЦИП ДІЇ СОНЯЧНОЇ ВОДОНАГРІВНОЇ УСТАНОВКИ

 

Сонячна водонагрівальна установка (СВУ) призначена для отримання гарячої води заданої температури шляхом перетворення потоку сонячного випромінювання в теплову енергію.

 В залежності від інженерного виконання СВУ може бути представлена в моно-або поліфункціональному виконанні і забезпечувати наступні потреби:

  • гаряче водопостачання;
  • опалення;
  • теплопідігрів підлоги;
  • нагрів басейнів.

Принцип роботи

В основу функціонування СВУ  покладено чотири базових процеси:

1) уловлювання сонячного випромінювання;

2) теплообмін;

3) консервація отриманого тепла;

4) автоматизований контроль системи.

Сонячне випромінювання, потрапляючи на колектор, проходить через його вакуумну зону і досягає спеціального покриття, яке вловлює ті хвилі сонячного випромінювання, які несуть найбільшу енергію – у першу чергу інфрачервоний спектр, у результаті чого відбувається інтенсивний розігрів вакуумного колектора. У залежності від типу вакуумних трубок колектора, отримана енергія передається:

  • воді (безпосередньо використовується),
  • теплоносію (вода або антифриз),
  • металевій пластині.

У першому випадку отримане тепло безпосередньо передається воді для її нагрівання.

У другому та третьому – використовується теплоносій або теплопередавач. В якості теплоносія може використовуватися звичайна вода або антифриз (як правило, водний розчин гліколя), а в якості теплопередавача - мідна трубка або алюмінієва пластина.

Далі теплоносій віддає отримане тепло воді, що використовується для побутових потреб (гаряча вода та/або опалення). Зазвичай, теплоносій просторово стикаються з мідною трубкою (спірального, U-образного або головчатого типу), яка характеризується підвищеним коефіцієнтом теплообміну. Саме через мідну трубку і здійснюється процес теплообміну між теплоносієм і водою. У найбільш простих системах мідні трубки відсутні, в такому випадку процес теплообміну відбувається безпосередньо між теплоносієм і водою.

Із метою збереження отриманого тепла в СВУ використовуються баки-резервуари, які мають ізоляційний шар, який забезпечує як можна більш тривале підтримання внутрішньої температури.

Для більш ефективної координації функціонування найбільш складні (і одночасно найбільш продуктивні) СВУ комплектуються системою автоматичного управління, де здійснюється контроль роботи всієї установки у відповідності із заданими параметрами, включаючи вибір оптимального режиму роботи системи протягом доби, при цьому контролер регулює потік теплоносія і визначає напрямок подачі тепла (гаряче водопостачання та/або опалення).

Для безперебійного функціонування СВУ можуть комплектуватися додатковими джерелами енергії, наприклад, традиційний водонагрівач, що працює на електроенергії, газі, рідкому (дизель) або твердому (вугілля) виді палива, що забезпечує найбільш високу ефективність використання в зимовий час, коли навантаження найбільш високі, а також нічний час або хмарну погоду, при цьому альтернативне джерело енергії використовується лише для підтримки заданих параметрів.

Особливості:

  • можливість використання системи як основного або додаткового джерела енергії для опалення;
  • найбільш ефективні установки для помірного і холодного клімату, витримує температури до -50 °С і низьку інтенсивність потоку сонячної радіації;
  • мають велику кількість схем підключення;
  • легко вбудовуються в існуючі системи гарячого водопостачання та опалення;
  • розташування бака не вимагає строгого розміщення, тому системи легше модифікуються ніж пасивні;
  • велика продуктивність за рахунок активної циркуляції рідини.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5. Схеми СВУ

 

РОЗРАХУНКОВИЙ БЛОК 

 

Завдання 1. Відповідно до варіанту завдання (додаток 1) розрахувати:

1.1. Необхідну теплову потужність в приміщенні в ккал/год. та Btu/год.

1.2. Потужність сонячного колектора відповідно до необхідної теплової потужності в приміщенні (кВт/год.).

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ЩОДО ВИКОНАННЯ ЗАВДАННЯ 1.

Виконуючи розрахунки, скористайтеся усіма запропонованими формулами.

1. Розрахунок необхідної теплової потужності в приміщенні в ккал/год.

 

, [ккал/год.]

де V- об’єм приміщення для обігріву, м3

V = а* b*c

∆Т – різниця температури повітря у приміщення та надворі, 0С

∆Т = Т1 – Т2

k - коефіцієнт дисперсії (див. додаток 2)

2. Розрахунок необхідної теплової потужності в приміщенні в Btu/год.

 

 

, [Btu/год.]

або

 

, [Btu/год.]

 

  1. Розрахунок потужності сонячного колектора.
 

 

, [кВт/год.]

або

 

, [кВт/год.]


Завдання 2. Провести спрощений розрахунок геліосистеми для власних потреб.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ЩОДО ВИКОНАННЯ ЗАВДАННЯ 2.

Скориставшись запропонованим алгоритмом та додатком 3, Ви зможете легко розрахувати приблизну комплектацію обладнання для ваших потреб.

Для розрахунку вам необхідно пройти кілька кроків.

1. Визначитися з кількістю споживачів гарячої води.

Середнє споживання гарячої води 1 людиною на добу: 50 л (без урахування прийняття ванн).

Температура вихідної води для нагрівання: 15 0С. Температура гарячої води: 45 0С. Для нагрівання 1 л води на 1 0С необхідно затратити 4,19 кДж.

Необхідну кількість енергії для забезпечення потреб 1 людини(нагрівання 50 л води на 30 0С): 50л 300С 4,19 кДж = 6285 кДж.

При: 1 кВт/год. = 3600 кДж, отримуємо: 6285 кДж/3600сек = 1,75 кВт/год. Для сім'ї, що складається з 5 чоловік: 1,75 кВт/годх5 = 8,75 кВт/год.

 

Кількість води = реальний об’єм гарячої води, яка використовується кожен день. Більшість систем гарячого водопостачання нагрівають воду до 60°C і більше градусів, у той час коли використовується вода з температурою 42°C та 45°C. Тому для отримання 300 літрів гарячої води для побутових потреб потрібно всього близько 220 літрів гарячої води нагрітої до 60°C.

Підвищення температури - це бажана температура гарячої води МІНУС середня температура вхідної холодної води. Температура побутової гарячої води повинна бути, як правило, близько 42°C - 45°C.

Холодна вода, як правило, коливається близько 10°C між зимою та літом. Перевіривши ваші показники температури холодної води (від 8°C зимою до 114°C влітку) дасть вам можливість визначити необхідний перепад температур.

2. Визначити приблизну кількість води, споживаної кожним членом вашої родини на добу.

3. Після цих двох кроків ви отримаєте рекомендований об’єм накопичувального бака.

4. Вибрати бажану ступінь заміщення ваших потреб у теплі енергією сонця.

5. Вибрати південний або південно-східний регіон України де планується розміщення системи.

6. Вибрати плановану орієнтацію встановлюваних колекторів.

7. Вибрати кут нахилу встановлюваних колекторів.

8. Після виконання останнього кроку Ви отримаєте приблизну необхідну кількість колекторів.

Після виконання вищевказаних кроків Ви отримали необхідну ємність бака-накопичувача і приблизну кількість колекторів.

Далі Вам необхідно вирішити чи будете ви використовувати сонячну енергію як додаткове джерело тепла в системі опалення. Від Вашого рішення залежить вибір бака-накопичувача з одним або двома теплообмінниками.

Для відбору тепла в основну систему опалення буде слугувати бак з двома теплообмінниками. За допомогою одного - тепло буде передаватися в бак з водою, з допомогою другого (верхнього) Ви будете мати можливість передавати надлишки тепла в основну систему опалення. Далі до отриманого комплекту Вам необхідно додати робочу станцію з контролером, датчиками температури і іншою автоматикою. Таким чином, маючи комплект обладнання, що складається з бака-накопичувача, необхідної кількості вакуумних сонячних колекторів і робочої станції з контролером, Ви зможете розрахувати вартість вашої системи.

КОНТРОЛЬНИЙ БЛОК

Дайте відповіді на запитання.

  1. Що таке сонячний колектор? Назвіть його конструктивні елементи.
  2. Що таке геліосистема? Назвіть її конструктивні елементи.
  3. Порівняйте плоскі і вакуумні сонячні колектори.
  4. Що таке термосифонна геліосистема?
  5. Які потреби забезпечує СВУ?
  6. Опишіть принцип дії СВУ.
  7. У яких регіонах України інтенсивність сонячного випромінювання є найбільш високою? А найнижчою?
  8. Що таке Btu/год?

Додаток 1

Таблиця варіантів завдання

№ вар.

Розміри будівлі, м

Матеріал стін будівлі

Температура повітря, 0С

довжина

ширина

висота

у будівлі, Т1

надворі, Т2

1

12

4

3

Спрощена дерев'яна конструкція

+22

-10

2

18

6,4

2,8

Конструкція з гофрованого металевого листа

+24

-20

3

20

8,2

3,0

Подвійна цегляна кладка

+18

-12

4

10

5

2,8

Цегляні стіни з подвійною теплоізоляцією

+20

-8

5

9,5

6

3,0

Однорядна цегляна кладка

+18

-5

6

12,5

4,8

2,8

Стандартна подвійна цегляна кладка

+25

-11

7

14

5,6

3,2

Однорядна цегляна кладка

+24

-7

8

13,8

4,5

2,8

Цегляні стіни з подвійною теплоізоляцією

+20

-13

9

15

5,6

3,5

Подвійна цегляна кладка

+24

-9

10

17,6

6,8

3,5

Цегляні стіни з подвійною теплоізоляцією

+22

-14

1 кВт/год. потужності сонячного колектора=860 ккал/год. необхідної теплової потужності.

1 ккал/год = 3,97 Btu/год.

1 кВт/год = 3412 Btu/год.

1 Btu/год = 0,252 ккал/год.

Btu – британська теплова одиниця

 

Британська теплова одиниця (британська термічна одиниця, BTU, англ. British thermal unit ) - одиниця вимірювання енергії, яка використовується в англомовних країнах. У даний час використовується в основному для позначення потужності теплових установок, в інших сферах її замінила одиниця СІ - джоуль.

BTU визначається як кількість тепла, необхідного для того, щоб підняти температуру 1 фунта води на 1 градус Фаренгейта, і, тим самим, тісно пов'язана з калорій. Існує декілька альтернативних визначень BTU, що розрізняються визначеннями калорії; значення BTU в різних визначеннях може відрізнятися на величину до 0,5%.

Додаток 2

Коефіцієнт дисперсії

Характеристика будівлі

k

1.

Спрощена дерев’яна конструкція або конструкція з гофрованого металевого листа. Без теплоізоляції

3.0 - 4.0

2.

Спрощена конструкція будівлі, одинарна цегляна кладка, спрощена конструкція вікон і даху. Невелика теплоізоляція

2.0 - 2.9

3.

Стандартна конструкція, двійна цегляна кладка, невелика кількість вікон, дах зі стандартною крівлею. Середня теплоізоляція

1.0 - 1.9

4.

Поліпшена конструкція., цегляні стіни з подвійною теплоізоляцією, невелика кількість вікон з подвоєними рамами, товста основа підлоги, дах із високоякісного теплоізоляційного матеріалу. Висока теплоізоляція.

0.6 - 0.9

 



Создан 26 мар 2017



  Комментарии       
Имя или Email


При указании email на него будут отправляться ответы
Как имя будет использована первая часть email до @
Сам email нигде не отображается!
Зарегистрируйтесь, чтобы писать под своим ником