Метод расчета и проектирования солнечной теплицы для региона Сибири

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Метод расчета и проектирования солнечной теплицы для региона Сибири

Специальность 05. 20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Мазаев Леонид Романович

Барнаул - 2011

Работа выполнена в ФГОУ ВПО « Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р.Филиппова»

руководитель - доктор технических наук Тайсаева Валентина Табановна

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Худоногов Анатолий Михайлович (ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»);

кандидат технических наук, доцент Меновщиков Юрий Александрович (ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет»)

Ведущая организация - ГОУ ВПО Восточно-Сибирский государственный технологический университет

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В настоящее время в России себестоимость овощей, выращенных в теплицах, существенно выше, чем в странах, имеющих высокий уровень сельскохозяйственного производства. Спрос на свежую овощную продукцию отечественный производитель удовлетворяет на 30%, остальное - импорт. Развитию тепличного овощеводства препятствует недостаток и функционирование морально и физически устаревших теплиц, а высокая себестоимость производства внесезонных овощей связана, в первую очередь, с высокими затратами на энергоносители. Сейчас удельный вес энергозатрат в структуре себестоимости овощной продукции закрытого грунта составляет до 70%. Это связано с неэффективным использованием электрической и тепловой энергии в теплицах, отсутствием солнечных теплиц как таковых и моделей, реализующих оптимизацию энергетических процессов в ней.

Мировой опыт развития тепличного производства указывают на практически повсеместный переход к способам выращивания растений в закрытом грунте, использованию новых конструкций, материалов и энергосберегающих технологий на базе солнечной энергии. Так, например, в Северном Китае сосредоточено более 263 тыс. га солнечных теплиц, где выращиваются 90 % зимних овощей.

Цель диссертационной работы - разработка энергоэффективной солнечной теплицы для выращивания экологически чистых овощей и снижения потребления органического топлива.

Объектом исследования являются технологические процессы: теплоснабжение теплиц и свойства теплоаккумулирующих материалов.

Предмет исследования - закономерности, связывающие параметры систем солнечного теплоснабжения теплиц с показателями энергетической, экологической и экономической эффективности.

Для достижения поставленной в работе цели исследования сформулированы следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния использования солнечной энергии для отопления теплиц в условиях климата северных широт.

2.Разработать математическую модель солнечной теплицы.

3.Разработать опытные образцы солнечных коллекторов с теплоносителем воздуха и тепловых аккумуляторов с насадками галька и цеолиты, а также экспериментальные установки для снятия их теплотехнических характеристик.

4.Разработать методики экспериментальных исследований и определения теплотехнических и энергетических характеристик опытных образцов гелиотехнического оборудования.

5.Провести технико-экономическую оценку эффективности основных результатов исследований.

Методы исследований. Методы теории вероятностей и математической статистики, теория активного планирования эксперимента, системный анализ и имитационное моделирование.

Научную новизну исследований представляют:

метод расчета энергоэффективной солнечной теплицы, заключающийся в оптимально сконструированной форме конструкции всех элементов теплицы;

теоретические исследования теплоаккумулирующих пористых насадок, позволяющие определить наиболее оптимальный режим аккумуляции тепла в насадках при заданных значениях массового расхода воздуха G и скорости V для различных сочетаний параметров слоя;

уравнение, учитывающее влияние семи переменных на количество аккумулируемого тепла;

экспериментальные исследования солнечных коллекторов, тепловых аккумуляторов с различными теплоаккумулирующими насадками.

Практическую значимость работы представляют:

методика расчета эффективности функционирования солнечных теплиц с пассивными солнечными системами;

методика расчёта энергоэффективности тепловых аккумуляторов (ТА) с различными параметрами насадки, геометрией слоя, скоростями движения теплоносителя и удельной теплоёмкостью;

гибридные солнечные коллекторы с теплоносителем «вода-воздух», тепловые аккумуляторы с ТАН галька и цеолиты.

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертационной работы докладывались на международных и российских научных конференциях: всероссийском энергетическом форуме «ТЭК России в 21веке. Актуальные вопросы и стратегические ориентиры» (Москва, 2002); международной научно-технической конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва,1998); международных научных конференциях «Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона» (Улан-Удэ, 2001,2003, 2008); международном симпозиуме «Экологические и инженерно-экономические аспекты жизнеобеспечения» (Ганновер 2008, 2010); VI международной конференции «Возобновляемая и малая энергетика -2009» (Москва, 2009).

На защиту выносятся следующие положения:

1.Метод оптимизации формы конструкции теплицы, обеспечивающей максимальный приход солнечной радиации в теплицу в отопительный период.

2.Результаты теплопроизводительности теплицы с пассивными солнечными системами для отопления и солнечным коллектором для ГВС.

3.Результаты энергоэффективности тепловых аккумуляторов теплоаккумулирующей пористой насадкой и ночным тепловым экраном светопрозрачного покрытия.

4.Метод расчета и проектирования энергоэффективной солнечной теплицы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе 4 работы - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы из 98 источников. Работа изложена на 170 страницах текста, содержит 64 иллюстрации, 45 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, сформирована цель и определены задачи исследования, аргументированы выбор объекта и предмета исследования, отражены научная новизна и полученные практические результаты, дана общая характеристика работы - показаны роль и значимость технического потенциала солнечной энергии для применения в тепличном хозяйстве для устойчивого развития Байкальского региона.

В первой главе проанализирована информация зарубежных исследований в последние два десятилетия по изучению возможностей использования солнечной энергии для отопления теплиц. Исследования, проведенные в Китае, Канаде, США, Франции, направленные на улучшение эффективности пассивных солнечных систем, показали, что использование их в теплицах экономически целесообразно для продления вегетационного периода выращивания овощей.

Из анализа исследований, проведенных Grafiadellis (1991г.) нами установлено, что солнечным прудам, с фазовым изменением материалов и тепловым насосам необходим высокий уровень инвестиций.

Из крупных отечественных исследований, проведенных в конце XX века, следует отметить работы Р.Б. Байрамова и Л.Е. Рыбаковой (НПО "Солнце" АН Туркмении), Ю.Н Якубова (Узбекистан), А.Б. Вардияшвили (Грузия).

Проведенный анализ позволяет сделать вывод: наиболее эффективными являются пассивные солнечные теплицы с тепловыми аккумуляторами, однако недостатком их является большой объем теплоаккумулирующей массы. С целью возможности повышения эффективности тепловых аккумуляторов в диссертации обоснована целесообразность применения пористых материалов Забайкалья, Холинского и Мухор-Талинского месторождений.

Во второй главе проведено теоретическое обоснование моделирования солнечной теплицы с пассивной солнечной системой (ПСС) и теплового аккумулятора (ТА) с пористой насадкой. Схема алгоритма энергетической модели представлена на рисунке 1.

Рисунок 1.Схема алгоритма расчета энергоэффективности солнечной теплицы

1. Для выбора формы теплицы рассчитан:

а) Оптимальный угол наклона светопрозрачного покрытия теплицы,

при котором в теплицу поступает максимальное количество солнечной радиации за отопительный период. Расчет выполнен для г. Улан-Удэ (широта 52.3⁰ с.ш. и 107.5^о в.д) (Таблица 1).

б) Для обоснования формы теплицы рассмотрены четыре типа теплиц (Рисунок 2), используемых в настоящее время в холодном климате и аксонометрический вид 4 типа теплицы (Рисунок 3).

Рисунок 2 - Четыре типа теплиц разных форм площадью 100м²

Солнечная радиация в гелиотеплицу поступает в основном через ее прозрачные поверхности, а суммарные теплопотери определяются общей поверхностью ограждения.

Таблица 1. Данные расчета оптимальной ориентации теплицы в зависимости от угла наклона светопрозрачного покрытия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зависимость аккумулируемого тепла () от размеров и типов теплиц определяем по уравнению теплового баланса:

(1) или ;.

Величина - есть коэффициент тепловых потерь, а (1-б)=П- коэффициент аккумуляции тепла. Аккумулируемое тепло выразится через (1- б) как:

(2)

Когда эти факторы заданы, тогда б и П зависят только от размеров и типов теплиц. Для определения такой зависимости при расчете за исходные геометрические размеры можно принять длину L и высоту h теплицы, так как через них при заданных значениях углов определяются все остальные размеры теплицы. Теплица как защищенный грунт характеризуется геометрическим показателем эффективности, определяемый отношением площади защищенного грунта к сумме площадей ограждающих конструкций.

µ = F_осн/ (F_c + F_сев.ст + 2F_торц+ F_пот) (3)

где: F_с - площадь светопрозрачного покрытия F_сев.ст. - площадь северной стены; F_т.ст. - площадь торцевой стены F_пот. - площадь потолка. Прошедшее солнечное излучение через застекленную поверхность теплицы, определяется как:

(4)

где: з- оптический КПД светопрозрачного ограждения; Э_в - количество суммарной солнечной радиации, падающей на наклонную светопрозрачную поверхность. Тепловые потери проводимостью через оболочку теплицы, включающие северную стену, две торцевые стены, северную крышу и светопрозрачное покрытие из поликарбоната определяются как:

(5)

где: к₀ - коэффициент теплопередачи (Вт/ м²є), F - полная площадь поверхности оболочки теплицы(м²),Дt - перепад внутренней температуры теплицы и наружного воздуха (oC), F- площади F_сев.ст,F_пк,,F_кр,F_тст северной стены, светопрозрачного покрытия, крыши и торцевых стен (м²) и,соответственно, k_0ст, k_0пк, k_0кр, k_0ст - их коэффициенты теплопередачи.

Площади поверхностей F_ст, F_пк, F_кр равны h₂L,ВС L и СD·L (Рисунок.3) F_тст -площадь торцевых стен, т.е. многоугольник АВСDENA.

Коэффициент тепловых потерь б (2), выраженный через тригонометрические функции углов в, высоту h и длинуL после преобразований примет вид:

,

Не только коэффициенты б и µ, но и их произведение имеет физический смысл:

,

где Q_пот/F_огр:- удельные теплопотери через ограждения, q_прош = Q_прош /F_прозр:- удельный солнечный приток тепла, q_акк=(1-б) удельная аккумулируемая энергия. При максимальном значении б·µ значение h/L становится критическим и при проектировании необходимо соблюдать условие: h/L<(h/L)_кр, (6)



Из кривых видим, что с возрастанием h/L вначале б·µ растет, достигая критического максимума, затем медленно уменьшается.

Таблица 2. Значения комплексов а,б,с, d (кВт•ч); П_/ q_прош

солнечная теплица энергоэффективный экологический

Из таблицы 2 следует, что строить теплицы выгодно с наибольшим значением П/q_прош (отношение коэффициента аккумуляции тепла к удельному количеству прошедшего солнечного тепла) с энергетической и экономической точки зрения. Наибольшее значение П_/ q_прош у типов I и II, выбираем тип II, у которого (h/L)кр = 0.216, длину теплицы при соблюдении условия (5) не превышения Lкр = 18.5 м, берем равной 18.2 м. Для Республики Бурятия, располагаемой в широтах ц=52є- 53.5є теплица (S= 100 мІ, б = 60є, hо = 30є) будет иметь оптимальные геометрические размеры пола 18,2х5,5 м при работе её 180 дней в году с 15 февраля по 15 ноября.

с) Расчет аккумулируемого солнечного тепла ?Q_акк торцевыми стенами, потолком, северной стеной ?Q_акк определяем как:

, (7)

где: V^огр и V^тепл - обьем теплоаккумулирующей массы потолка, торцевых стен, почвы и теплицы, мі; с_возд, с_огр - плотность воздуха и ограждающих конструкций, кг/мі; - удельная теплоемкость ограждающих конструкций и воздуха Дж/кгєС - температура внутренняя ограждающих конструкций и внутреннего воздуха теплицы,єС

Количество тепла аккумулируемое северной стеной определяется как:

(8)

где: Q_ст, - тепло, аккумулированное в северной стене (Вт), V_ст - объем стены, (м3), C_cт, C_почв - удельная теплоемкость стены (Дж/кгєС) с_ст,, - плотность стены (кг/мі);?t_ст,- перепад температур в стене, (єC). , Здесь: t_погр- температура пограничного слоя теплоаккумулирующей стены,єС t_вн - температура внутреннего воздуха теплицы,єС

Расчет поглощенной солнечной радиации Q_погл определяем по формуле:

= У Q_пр Е cos(i)·F_погл (9)

где: У Q_пр - прошедшее количество солнечной энергии через остекление, кВт·ч;Е - коэффициент поглощения солнечной радиации; F_погл - площадь поглощающей поверхности, мІ.i - угол между нормалью к поглощающей поверхности и направлением солнечных лучей:

Расчетные данные нагрузки отопления и вентиляции по известному тепловому балансу; прошедшей, поглощенной, аккумулированной солнечной энергии элементами ограждающих конструкций, рассчитанные по формулам (4,7,9) сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Расчетные данные теплового баланса теплицы, кВт·ч

(R_остекл =0.46, R_пот= 5, R_ст= 3.7 в м²°С/Вт, к₀F=0.202, Вт/м²°С)

2. Расчет пассивных солнечных систем.

Приведенные выше расчеты баланса теплицы показывают, что для эффективного функционирования солнечной теплицы необходимо рационально использовать избыток солнечного тепла.С этой целью рассмотрена пассивная солнечная система (ПСС) отопления, совмещенная с северной стеной теплицы (Рисунок 5), которая выполняет функции как конструктивного назначения, так и функции восприятия, аккумулирования и транспортировки тепла в теплице. На внешней поверхности размещается изоляция, а в межстекольном пространстве - теплоприемный абсорбер- экран с высокой теплопроводностью.

В верхней и нижней части стены имеются каналы для циркуляции теплоносителя воздуха. В период инсоляции воздух, находящийся в воздушной прослойке между стеной и стеклом, нагревается и поступает через верхние каналы в теплицу.

Рисунок 5. Схема ПСС отопления теплицы

1 - утепленная крыша 2 - изоляция северной стены 3- северная стена 4- пограничный слой д 5- светопрозрачное покрытие 6 - абсорбер теплоприемник 7 - воздушный поток

а) При конструировании расстояние между теплоприемным экраном и стеклом -д₁, а также между экраном и стеной д₂ выбраны на основании общеизвестных уравнений пограничного слоя для турбулентного режима естественной конвекции:

д = Н(0,96; (10)

где: H - высота теплоприемного экрана, м; N_u - число Нуссельта;

G_r - число Грасгофа; P_r - критерий Прандтля.

V, м/с; - средняя скорость движения воздуха в прослойке равна:

V = (11)

где: с - средняя плотность воздуха в прослойке, кг/м³; ? - толщина воздушной прослойки, мм; ? = 4д; о - ускорение свободного падения, м/с²; A - высота между центрами входного и выходного отверстий, м; С_вх - плотность входящего в теплоприемник воздуха, кг/м³; С_вх - плотность воздуха на выходе из теплоприемника, кг/м³; ? о - сумма местных сопротивлений.

Площадь сечения F_жс входных и выходных каналов определяется из уравнения:

(12)

где: m₀ - суммарный (т.е. на проектируемую поверхность) массовый расход воздуха в межстекольном пространстве теплоприемника, кг/ч.

б) Для расчета теплопроизводительности абсорбера ПСС (Рисунок 5) находим температуру абсорбера (теплоприемника), обладающего незначительной тепловой инерционностью из зависимости:

(13)

Где: m_аб - масса абсорбера; С_р(аб) - удельная теплоемкость материала абсорбера, кДж/кг^оС; t_аб - температура абсорбера,^оС; F_аб - площадь поверхности абсорбера, м²; б_(н) - среднее значение коэффициента теплообмена в пограничном слое, Вт/м^2оС; t_погр(ф) - температура воздуха в пограничном слое, ^оС; - плотность потока солнечной радиации, поглощенного поверхностью абсорбера, которая преобразуется в тепло, Вт/м².

Решение (13) при условии рассмотрения функции t_{погр(ф),} t_аб(ф), в дискретном изображении даст:

(14)

Где: ?ф - расчетный интервал дискретности функции, ч.

Изменение температуры воздуха, движущегося в пограничном слое, определяют из уравнения:

(15)

Где: х - координата расчетной точки по высоте абсорбера;К-коэффициент теплопередачи через остекление к наружному воздуху; t_н(ф) - температура наружного воздуха, ^оС.

Решение уравнения (15) имеет вид:

(16)

Совместное решение уравнений (16) и (14) после подстановки исходных данных абсорбера-теплоприемника 6 (Рисунок 5).

F_аб = 18,0м х 1.7м = 30,5 м²; б_н = 3,75 Вт/м^2оС; (mС_р)_аб = 11739 кДж/ ^оС

К = 2,9 Вт/мІєС; б_н = 3,75 Вт/м^2оС для пограничной температуры примет вид:

t_{погр(i+1)} - t_вн(i) = 0,3 (t_н(i+1) - t_вн(i)) + 0,0132 q (17)

- t_вн(i) находим из известного уравнения теплового баланса теплицы путем подстановки исходных данных элементов ограждающей конструкции.

1)F_пола,=100 м²; F_пот,=70.2м²;F_тст=26м²; F_стр=78.26м²; V=170м^3; коэффициентов теплообмена внутренней и наружных стен б_вн=8.7 Вт/м²єС, б_н=23 Вт/м²єС,

2)полученных уравнений для внутренней температуры стен потолка и пола

ф_ст' = 0,765t_в + 0,235t_н + q_п*0. 235/б_н;

ф_пот' = 0,785*t_в + 0,215t_н + q_п*0.215/б_н; (18)

ф_пол' = 0,781*t_в + 0,21*t_н+ q_п*0.2/б_н;

3) значений = 38,9 кДж/мІєС и (- t_внi).

После ряда преобразований при дискретном изменении t_вн, t_н, q_п, во времени получим уравнения изменения температуры воздуха внутри теплицы без абсорбера ПСС (19) и с абсорбером ПСС (20).:

 (19)

- (20)

В настоящее время в северных широтах широко используются для укрытия теплиц на ночь теплые экраны. При укрытии светопрозрачного покрытия теплым одеялом (из хлопка с R=0.9 м²°С/Вт) на ночь с 18ч до 9 утра, расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию снижается в 2 раза

в) Рассчитанные по (19,20) почасовые значения температуры воздуха внутри теплицы с ПСС на северной стене, без теплового экрана и с тепловым экраном показали, что она может эффективно функционировать с 15 февраля по 15 ноября

Для определения количества теплоты, поступающей от абсорбера теплоприемника ПСС, используем формулу:

Q_ТП = (mС_р)_погр(t_погр - t_вн)(a-1), Вт (21)

Где: t_вн - средняя по объему теплицы внутренняя температура воздуха, ^оС; а - сторона теплицы, где расположен теплоприемник (в данном случае длина теплицы L) при (mС_р)_погр= 38,9 кДж/м² єС; Q_ТП = 0,185 (t_погр - t_вн) кВтч/^оС

3. Расчет энергоэффективности тепловых аккумуляторов (ТА).

Для аккумуляции избыточного солнечного тепла проведен расчет ТА с теплоаккумулирующими насадками (ТАН) галька и цеолиты для чего:

а) определены потери давления в ТА по формуле:

, (22)

где: - коэффициент сопротивления насадки; - высота насыпи, м; - коэффициент формы зерна; - эквивалентный диаметр; - скорость воздуха, отнесенная ко всему поперечному сечению насадки, м/с; - порозность насадки; - плотность воздуха, кг/м3; - показатель степени, зависящий от критерия Рейнольдса для турбулентного течения, n=2.

б) Количество тепла, аккумулируемое в насадке, находим по уравнению:

, (23)

Где: - площадь насадки, обдуваемая тепловым потоком, м;

-коэффициент теплоотдачи с единицы площади,

;;;

Здесь - приращение температуры насадки Максимальный перепад температур в начале зарядки и в конце составил у насадки: - цеолиты

= 4,5 К; галька- = 3,2 К.

в) Расчет энергоэффективности ТА с разными ТАН ведем по уравнению:

, (24)

После преобразования его, подставляя значения входящих в него параметров, получили уравнение, учитывающее влияние семи переменных на количество аккумулируемого тепла:

,…………… (25)

Уравнение (25) позволяет определить наиболее оптимальный режим аккумуляции тепла в насадках при заданных значениях массового расхода и скорости воздуха для разных сочетаний параметров слоя (, при фиксированной плотности и удельной теплоемкости насадки.

После подстановки значений , которые постоянны для определенного вида насадки, в формулу (26) получим:

, (26) (27)

в) Важными факторами, влияющими на эффективность ТА являются затраты энергии на фильтрацию теплоносителя через слой и получаемый теплосъем с поверхности насадки. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получена формула энергетической эффективности ТАН:

; (28)

Формула (28) позволяет сравнивать между собой различные варианты ТА еще на стадии проектирования с различными параметрами насадки ; геометрией слоя ; ; и в.нашем случае при известных значениях и гальки и цеолитов формула (28) примет вид:

для гальки (29);- для цеолитов (30);

Каждый параметр насадки имеет свой энергетический оптимум, у насадки - цеолиты при ш=1,25, е_ц=0,56, V=0,6 м/с, с=2500 кг/м³, =2.39, что на 30% выше гальки, что говорит о высокой энергоэффективности пористых тел.

В III главе представлены методики и результаты: испытаний:

1) встроенной солнечной теплицы в жилой дом 2) воздухонагревательной установки; 3) теплоаккумулирующих насадок (ТАН)

1) для обоснования эффекта теплового экрана проведен эксперимент с встроенной теплицей площадью 20м² в жилой дом на демонстрационном полигоне г.Улан-Удэ (Рисунок 6). Испытания проводились в феврале и марте. Внутренняя температура повышается сразу, как только теплый экран - одеяло убирается (9:00ч) и начинает уменьшаться после 16:00ч. Самая высокая температура в теплице была зарегистрирована днем между 13:00ч и 16:00ч. Теплица с экраном обеспечила 85% потребной нагрузки, а с ПСС без экрана 60%, хотя приток солнечной радиации в отопительный период в теплице ориентированной под углом 90є на 574,56 кВт·ч меньше,чем в теплице с остеклением под углом 60є. На рисунке 7 приведены сравнительные кривые хода температур внутри теплицы с ПСС и экраном и без экрана и ПСС.

Рисунок 6. Встроенная теплица в жилой дом

1 - пульт управления ПЭУ-9; 2 - электрокотел; 3-бак-аккумулятор; 4 - солнечные коллекторы; 5- вытяжная труба биотуалета; 6 - фотомодули, 7 - биотуалет;8 - вентилятор; 9- каменная насадка ТА I - Встроенная пассивная солнечная теплица 10, 11- черная стена (ПСС) 12 - остекление - поликарбонат

Кривые изменения температуры воздуха внутри теплицы по результатам экспериментальных исследований подтверждают достоверность полученных уравнений (19,20). Процент расхождения не превысил 10 %.(Рисунок 7).

Рисунок 7.Кривые хода суточных температур в солнечной в теплице:

1 - расчетная по уравнению (19) без экрана и ПСС;

2-эксперимент. без экрана и ПСС; 3- расчетная по уравнению(20) с экраном и ПСС; 4 - эксперимент. с экраном и ПСС; 5- солнечная радиация на наклонную поверхность, 6- наружная температура

2).Экспериментальное определение характеристик солнечного коллектора с теплоносителем воздух. Был разработан гибридный СК с теплоносителем вода - воздух (рисунок 8) с теплопоглощающей панелью из металлических труб и перфорированного (4 мм) алюминия, покрашенных в черный цвет.



Рисунок.8. Солнечный гибридный коллектор с теплоносителем воздух-вода

1- светопрозрачное покрытие

2-теплопоглощающая перфорированная черная пластина

3-«гребенка»-коллекторная труба

4-теплоаккумулирующая масса(мет. стружки)

5- вход холодного воздуха в перфорированный воздуховод

6-металлические водяные трубы(1/2") солнечного коллектора

7-приточный перфорированный воздуховод

8- выход горячей воды

9- вентилятор

а) Для определения коэффициента сопротивления трения о рабочей камеры СК была разработана экспериментальная установка ЭУ-1 с центробежным вентилятором для подачи воздуха. Расход воздуха СК с поперечным сечением камеры 0,175м². подачей воздуха 20 м³/ч, для измерения скорости воздушного потока применяли трубы Вентури. Перепад давления в контрольном участке и в рабочей камере СК измеряли микроманометром. Для измерения скорости использовалась пневмометрическая трубка Прандтля.

Общие потери давления ДР_общ в солнечном воздухонагревателе состоят из потерь давления ДР_вх, выходного ДР_вых участков и рабочей камеры ДР_к, ДР_общ = ДР_вх + ДР_вых + ДР_к.Согласно расчетам (по геометрическим размерам установки), значения длины l, и гидравлический диаметр D_r м. рабочей камеры СК, составляют соответственно: 0,4 м и 1,29 м.

В таблице 4 приведены исходные данные для расчета аэродинамического сопротивления о и потерь давления Д Р в СК.

Таблица 4. Данные аэродинамического сопротивления о и потерь давления ДР

б) В результате испытаний солнечного коллектора определены:

- "разгонная" характеристика X_t = f(t) и постоянная времени

ф_с = 5,2 мин соответствующее X(t) = 0,632. При этом задавались следующие значения параметров: скачок радиации в 300 Вт; температура окружающего воздуха - 293-295К; угол наклона СК к горизонту - 60^о; плотность потока солнечного излучения - 800 Вт/м² с погрешностью 50 Вт/м²;

входная температура теплоносителя - 295К; скорость ветра - от 0 до 3 м/с; расход воздуха в СК для нагрева воздуха - G = 20 м³/ч.

- кривая КПД , где: м²К/Вт

По данным, полученным в результате испытаний, рассчитаны значения з и Т^* и получено уравнение: з = 0,685 - 4,08Т*, где Т* приведенная температура.

3.Определение характеристик теплоаккумулирующих насадок

а) Экспериментальная установки ЭУ-2 (Рисунок 9) состоит из: центробежного вентилятора Ц4-75, расходомера Вентури, воздуховода с насадкой, манометра, дифференциальной напорной трубки, пористой зернистой насадки.

Перепад давления ДР в насадках определялся при помощи дифференциального манометра (рабочая жидкость - спирт этиловый безводный).Скорость воздуха определялась при помощи дифференциальной напорной трубки в отверстии расходомера Вентури. Замерялись одновременно:динамическое Р_дин; статическое Р_ст; и полное давление Р_дин = Р_пол - Р_ст.

Рисунок 9. Общий вид (а) и схема экспериментальной установки ЭУ-3 (б)

1 - вентилятор; 2 - расходомер Вентури; 3 - дифференциальная напорная трубка; 4 - воздуховод с насадкой; 5 - манометр дифференциальный для расходомера Вентури; 6 - манометр дифференциальный для насадки.

Основными характеристиками ТАН являются: аэродинамическое сопротивтивление о, потери напора по высоте насадок ДР и расход электроэнергии

на привод вентилятора, которые связаны с о, равным:

; (29)

Ранее экспериментально были определены: значения формы зерна ш,: для гальки ш_г=1,12, для цеолита ш_ц=2,14. Эквивалентный диаметр частиц д_э=0,028 м, и порозность зерен для гальки е_г=0,54, цеолита е_ц=0,56

Используя экспериментальные данные вычислены аэродинамическое сопротивление о, lg о, lg Re и сведены в таблицу 5

Таблица 5. Расчетные данные аэродинамического сопротивления о, lg о, lg Re

б) Методика определения гидравлической и теплообменной характеристик ТАН солнечной воздухонагревательной установки

Разработаны опытные образцы ТА. Экспериментальная установка состоит из СК(4 м² каждый), 2-х ТА с насадками цеолиты и галька), осевых вентиляторов (1,25 ЭВ-2,8-327044), располагаемых на выходе из СК, центробежных вентиляторов ВЦ-4-75-2,5 и воздуховодов.

Варьируемые параметры имели следующий диапазон: Н = 0,25…1 м, с_н = 2200…2500 кг/м³; е = 0,5…0,65; G = 0,5…1,2 кг/м²К.

Замерялась: температура входящего воздуха Т_вх, температура по слоям насадки Т_нас в обеих ТА с насадкой галька и цеолиты, температура входящего теплого воздуха от СК и наружного воздуха Т₀;скорость воздуха V и приход солнечной радиации на наклонную поверхность (Q_пад).

В режиме аккумулирования замеры температуры,, прихода солнечной радиации велись непрерывно. Экспериментальные данные получены при испытании ТА в режимах зарядки и разрядки.

Количество полезного тепла (Q_пол), полученного от гибридного СК в режиме воздухонагревателя в ясный день октября составило 2.1 кВт·ч.

По данным эксперимента построены кривые изменения температуры насадки в режиме аккумулирования и разрядки (Рисунок 10).и приведены графики изменения Т_вых воздуха из ТАН и температур насадки по 4 слоям в зависимости от Т_нар входящего воздуха.

Рисунок 10. Кривые зависимости температуры насадки от времени в режиме: а - аккумулирования, б - разрядки

Как видно из графика, динамика изменения температуры насадки - галька и цеолиты разная, не совпадают также по фазе и при разрядке. Получено уравнение температуры выходящего воздуха Т_вых в режиме разрядки:

Для гальки Т_вых = 3,63 (0,33Т_нас-0,057Т_нар,. (30)

Для цеолитов Т_вых = 2,27 (0,5Т_нас-0,057Т_нар), (31) (34)

В режиме зарядки получены уравнения температуры насадки:

Для гальки Т_нас =1,19Т_нас0+0,19Т_в,. (32)

Для цеолитов Т_нас= 1,13Т_нас0+0,13Т_вх, (33)

По результатам эксперимента ДТ равен у насадки - цеолиты 4,3 К, гальки - 3 К. По другим данным эксперимента ДТ колеблется у цеолита от 5,4 до 4,5 К, у гальки от 4,3 до 3 К.

В IV главе дан технико-экономический анализ эффективности теплицы с солнечными системами теплоснабжения

Уточненный баланс солнечной теплицы с разработанными гибридными солнечными системами теплоснабжения и тепловым аккумулятором с пористой насадкой проведен для 6701 градусо-дней отопительного периода г Улан-Удэ с определения нагрузки отопления L_от и горячего водоснабжения L_ГВСдля по известным формулам при разных значениях термического сопротивления R, м²°С/Вт и коэффициента теплоотдачи к₀ F,Вт/ м²°С с тепловым экраном и без экрана. Расчетные данные расхода тепла на отопление вентиляцию и ГВС, приведены в таблице 6.

Таблица 6. Расход тепловой энергии на отопление, вентиляцию и ГВС,кВт·ч при разных значениях R, м²°С/Вт и к₀F,Вт/м²°С с тепловым экраном и без.

В результате исследований предложен проект энергоэффективной солнечной теплицы (Рисунок 11) с двумя пассивными солнечными системами I,II и тепловым подпочвенным аккумулятором ТА:

Энергетический эффект пассивных солнечных систем I,II и ТА:

Коэффициент замещения f нагрузки ГВС гибридными солнечными коллекторами площадью 10 м² (рис 5) в режиме нагрева воды для полива составил 0.6 (37ГДж) на 20% больше, чем 10 м² СК «Сокол» 0.4 (24.54 Гдж).

Энергетический эффект полученный от встроенной теплицы с ПСС с теплым экраном в жилой дом позволяет рекомендовать теплицы для отопления жилых домов, молочных и свиноводческих ферм.

Пассивные солнечные системы замещают в теплице с февраля по ноябрь до 52% потребного количества тепловой энергии, используя только 39% прошедшей солнечной радиации Э_прош

При применении теплового экрана и изолированного отражателя процент использования Э_прош увеличивается до 34.8%,в т.ч. в гибридной южной приставке до 3053 кВт*ч (4.4 %), в теплице - 21051,4 кВт*ч(30.4%). В итоге в солнечной теплице будет замещаться 51419 кВт*ч из 52249,4 потребной, т.е. почти 100 %, используя 70% Э_прош, остаётся ещё летний резерв 25396,87 кВт* ч и 30% неиспользованной Э_прош - 17714,5, итого 43111,375кВт*ч.

Рисунок 11. Разрез энергоэффективной солнечной теплицы.

1- теплый свернутый экран; 2 -.вертикальный воздуховод;

3 - перфорированный воздуховод; 4 -ПСС с абсорбером;

5-.блок управления воздушным потоком;

6 - труба отбора теплой воды для полива;

7 - бак-аккумулятор (БА) солнечной системы ГВС;

8 - насос забора холодной воды из скважины,

9 - циркуляционная труба поступления горячей воды от СК в БА;

10 - труба поступления холодной воды из БА в СК; 11-экран -отражатель;

12.- СК с теплоносителем вода - воздух. 13.- приточный перфорированный воздуховод подачи теплого воздуха;14 - проход между грядками;

15 - подпочвенные перфорированные трубы,

16 - ТА солнечной гибридной системы,

17 - внутрипочвенные перфорированные трубы теплого полива растений.

Утепление потолка до R_пот =5 м²°С/Вт снижает расход тепловой энергии в 1.3, а с экраном на ночь в 2.5 раза, чем в теплице с R_ост=0,46 и R_пот =3.7 м² °С. В самый холодном феврале аккумулируется до 10 кВтч в сутки тепла достаточного для использования позже, чтобы нагреть теплицу в течение 5-10 часов.

Сравнительные показатели эффективности солнечной теплицы с обычной теплицей, обогреваемой котлом типа " К4М-5" мощностью 15кВт, показали:

- себестоимость выработки тепловой энергии в солнечной теплице в 1.5 раза ниже по сравнению с теплицей, традиционно отапливаемой котлом типа "К4М-5» на угле.

- снижение в 4 раза выбросов углекислого газа.

Основные выводы и результаты

1. Разработанная оптимальная форма конструкции солнечной теплицы обеспечивает максимальный приход солнечной радиации в отопительный период, что позволяет эффективно использовать пассивные солнечные системы (ПСС) для теплоснабжения теплиц в условиях Сибири и выращивать ранне- весенние и поздне- осенние экологически чистые овощи.

2. Разработанная методика определения теплопроизводительности теплицы с ПСС для условий Забайкалья может рекомендована в регионе Сибири с аналогичными климатическими условиями до 7000 градусо-дней отопительного периода и приходом солнечной радиации, отличной до10%.

3. Разработанный метод расчета энергоэффективности тепловых аккумуляторов (ТА) с теплоаккумулирующими насадками (ТАН) позволил получить впервые уравнение, учитывающее влияние 7 переменных на количество аккумулируемого тепла с оптимизацией аккумуляции тепла в насадках.

Уравнение позволяет также рассчитать оптимальную геометрию слоя: высоту Н, поперечное сечение аккумулятора F, что ранее в уравнениях энергетического баланса не учитывалось.

4. Разработанный гибридный солнечный коллектор (СК) с теплоносителем «вода- воздух» и полученные теплотехнические и гидравлические характеристики в режиме водо - и воздухонагревателя позволяют эксплуатировать СК круглый год.

5. Разработанные методики определения гидравлической и теплообменной характеристик ТА с ТАН галька и цеолиты позволили экспериментально получить уравнения температуры выходящего воздуха Т_вых и температуру

насадок Т_нас в режимах - а) разрядки и - б) зарядки (аккумулирования):

а) Т_вых=2,27(0,5Т_нас-0,057Т_нар) - цеолиты и Т_вых=3,63(0,332Т_нас-0,057Т_нар)-галька

б) Т_нас =1,13Т_нас0+0,13Т_вх - цеолиты и Т_нас =1,19Т_нас0+0,19Т_вх - галька

6. Получены показатели энергетического эффекта ПСС для теплоснабжения теплицы и подпочвенного аккумулятора:

- коэффициент замещения f нагрузки ГВС гибридными СК площадью 10 м² в режиме нагрева воды для полива составил 0.6(37ГДж) на 20% больше, чем 10 м² СК «Сокол» 0.4 (24.54Гдж).

- для аккумулирования тепла на одни сутки в подпочвенном слое теплицы необходим ТА с насадкой галька объемом 5м³, а с насадкой цеолиты 2.8 м³, энергетическая эффективность ТА с насадкой цеолиты в 1.7 раза выше галечного.

7. Достигнуто: экономия 51419 кВт*ч тепловой энергии из 52249,4 потребной; снижение себестоимости выработки тепловой энергии ПСС в 2 раза ниже по сравнению с тепловой энергией, вырабатываемой традиционным котлом на угле; снижение выбросов углекислого газа в 4 раза, что подтверждает высокую экологическую эффективность солнечной теплицы.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Мазаев, Л.Р. Метод определения энергоэффективности тепловых аккумуляторов солнечной теплицы [Текст] / Л.Р.Мазаев //Вестник БГСХА.- 2011. -№3. вып.24. - C.55-60.

2. Мазаев, Л.Р.Эффективный тепловой аккумулятор для солнечной теплицы [Текст] / Л.Р Мазаев // Техника в сельском хозяйстве.-2011.№5.С.12-13.

3. Мазаев, Л.Р. Оптимизация режимов работы аккумуляторов тепла с разными материалами в солнечной теплице.[Текст] /Л.РМазаев //Вестник ИркГСХУ.- 2011.- №4 - Вып.46.- C. 92-98.

4. Мазаев, Л.Р.Определение теплопроизводительности теплицы с пассивной солнечной системой [Текст] / Л.Р Мазаев // Вестник ВСГТУ. - 2011.- Вып. 44.-C. 45-48.

5. Мазаев, Л.Р.Разработка экопоселения с энергосберегающими технологиями на базе возобновляемых источники энергии. [Текст] / Л.Р Мазаев,, В.В Малых // Возобновл. источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона: Материалы III Межд. научной конф./ под редакц. В.Т.Тайсаевой. Улан-Удэ, июнь 2008.- С.39-42.

6. Мазаев, Л.Р. Состояние теплоснабжения в жилом секторе и сельском хозяйстве Байкальского региона.[Текст] /Л.Р Мазаев // Возобновл.источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона: Материалы III Межд. научной конф. / под редакц. В.Т.Тайсаевой. УланУдэ, июнь 2008.-С.34-38.

7. Мазаев, Л.Р.Концепция развития нетрадиционной энергетики для теплоснабжения г. Улан-Удэ [Текст] / В.Т.Тайсаева, Л.Р. Мазаев и др. //Сб. докладов Международной научно- техн. конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве» 5-7окт. 1998г., Москва-ВИЭСХ ЧастьII,-С. 183-185.

8. Мазаев, Л.Р. Определение теплотехнических характеристик солнечной водонагревательной установки. [Текст] / В.Т.Тайсаева, Л.Р.Мазаев, Г.В. Хальхаев //Возобн.ист.энергии для устойч.разв.Байк.региона Матер.II Междунар.науч. конф./под редакц. В.Т.Тайсаевой. Улан-Удэ, Изд-во БГСХА, Улан-Удэ 2005.- C..45-51.

9. Мазаев, Л.Р.Анализ эффективности использования энергосберегающих технологий с гибридными солнечными системами теплоснабжения.[Текст] / В.Т.Тайсаева, Л.Р. Мазаев // Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона: Материалы III Межд. научной конф./ под редакц. В.Т..Тайсаевой.Улан-Удэ, июнь 2008.- С.45-48.

10. Мазаев, Л.Р. Определение характеристик теплоаккумулирующей насадки теплового аккумулятора солнечной установки.[Текст] / В.Т.Тайсаева, Л.Т. Дашибалова, Л.Р. Мазаев.// Возобновл.источники энергии лля устойчивого развития Байкальского региона:Материалы II Межд. научной конф./под редакц. В.Т.Тайсаевой. Улан-Удэ, июль 2004.-C.41-45.

11. Отчет НИОКР: Разработка и изготовление опытных образцов солнечных коллекторов с теплоносителем вода и воздух на базе композитов из местного сырья и отходов производства. Ответств.исполнитель Л.Р.Мазаев.- Улан-Удэ, 2001 - инв. № 02.200.202236, Рег. № 01200204215.

12.Сооружение экспериментального энергоэффективного экологически чистого фермерского хозяйства на основе солнечной, ветровой и теплонасосной установок общей мощностью 100 кВт в бассейне оз.Байкал»:Отчет по хоздоговору5/93//РАСХН.ВИЭСХ.ВОСТОКСИБВИЭСХ. Ответств. исполнитель Л.Р Мазаев.Улан-Удэ.1993г.(рукопись).

13. Мазаев, Л.Р.Экодом с автономными системами гелиотеплоснабжения и утилизации бытовых отходов в условиях Байкальского региона. [Текст] / В.Т.Тайсаева, Л.Р.Мазаев //Бизнес и инвестиции в области возобновл.источников энергии в России / Труды Международ. конгресса / Под ред. А.Б.Яновского, П.П.Безруких. - часть III, Москва, 1999.

14.Мазаев, Л.Р. Энергосберегающие автономные системы жизнеобеспечения жилого дома в условиях Республики Бурятия. [Текст] / В.Т.Тайсаева, Л.Р. Мазаев //Возобн.ист.энергии для устойч.разв.Байк.региона Матер.I Междунар.науч. конф./под редакц. В.Т.Тайсаевой. Улан-Удэ, Изд-во БГСХА, Улан-Удэ 2001.

15.Мазаев, Л.Р.Гидравлический и теплотехнический расчет характеристик аккумуляторов теплоты.[Текст] / В.Т.Тайсаева, Л.Т. Дашибалова, Л.Р. Мазаев.// Возобновл.источники энергии лля устойчивого развития Байкальского региона:Материалы II Межд. научной конф./под редакц. В.Т.Тайсаевой. Улан-Удэ, июль 2004.-C.96-104.

16.Мазаев, Л.Р.Рекомендации по выбору параметров солнечных нагревательных установок. [Текст] / Л.Р. Мазаев // Труды 5-й Междунар.науч-техн.. конф..Часть 4. Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы.Экология.-М.- ГНУ ВИЭСХ,2006.- С.195-200.

17.Мазаев, Л.Р. Создание экопоселения с автономными энергосберегающими системами жизнеобеспечения на базе возобновляемых источников энергии [Текст] / В.Т Тайсаева, В.В,Малых, Л.Р Мазаев.// Малая энергетика.-2009.№1-2(10).-С.61-67.

18.Мазаев, Л.Р. Создание энергоэффективных солнечных теплиц с тепловыми аккумуляторами в условиях Сибири. [Текст] /В.Т.Тайсаева, Л.Р Мазаев // Малая энергетика.-2011.-№1-2.-С.50-57..

19.Мазаев, Л.Р.Методика расчета энергетической эффективности аккумуляторов теплоты.[Текст] / В.Т.Тайсаева, Л.Р.Мазаев. //Возобн.ист.энергии для устойч.разв.Байк.региона Матер.II Междунар.науч. конф./под редакц. В.Т.Тайсаевой. Улан-Удэ, Изд-во БГСХА, Улан-Удэ 2005.-C.104-111.

20.Мазаев, Л.Р. Солнечные теплицы в условиях Сибири. [Текст] /В.Т.Тайсаева, Л.Р Мазаев // Монография.-Улан-Удэ: Изд-во БГСХА, 2011.-200с.

21.Мазаев, Л.Р. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Расчет энергетических показателей. [Текст]: учебное пособие для вузов /. В.Т.Тайсаева, Л.Р Мазаев / под ред. В.Т.Тайсаевой. Допущено УМО вузов по агроинженерному образованию в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности 311400 « Электрификация и автоматизация сельского хозяйства». - Улан-Удэ: изд-во БГСХА, 2002 - 106 с.

Размещено на Allbest.ru

...