Расчет долгосрочных тепловых характеристик системы солнечного теплоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ЗАДАНИЕ НА РАСЧЕТНУЮ РАБОТУ

Рассчитать долгосрочные тепловые характеристики системы солнечного теплоснабжения, схема которой представлена на рис. 1.1. Результаты расчетов представить в виде зависимости доли годовой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, от площади солнечного коллектора.

Рис. 1.1 Схема жидкостной системы солнечного теплоснабжения: 1 - солнечная радиация; 2 - предохранительный клапан; 3 - бак горячей воды; 4, 9 - источник дополнительной энергии; 5 - бак-аккумулятор; 6 - бак

Исходными данными для расчета являются:

- географическая широта города ц=54°, в котором расположен объект теплоснабжения, и метеорологические характеристики данной местности (расчетная температура отопительного периодаt= -5°С,; среднемесячные температуры наружного воздухаt_HO=20 °С; среднемесячный дневной приход суммарной радиации на горизонтальную поверхностьE=8,3МДж/(м сут));

- объем здания (объекта теплоснабжения)Узд=150 м;

- расчетная температура внутри зданияte=22 °С;

- количество жителей в зданиипж=3, чел.;

- тип солнечного коллектора: коллектор КМЗ (нержавеющая сталь);

- удельный объем бака-аккумулятораvaк=100л/м²;

- три значения площади солнечных коллекторов:A₁₌2м, A₂₌3 миA₃₌4 м.

Общими для всех вариантов являются следующие величины:

- удельный расход горячей водыG_ze= 0,0005кг/(счел);

- температура горячей водыt_ze=60°С;

- температура холодной водыt_xeлетом 15°С, зимой 5°С;

- эффективность теплообменника e_c=0,7.

В качестве теплоносителей приняты:

- контур солнечного коллектора - антифриз (c_p=3350Дж/(кг°С)), расход 0,015л/(м²°С);

- контур с баком-аккумулятором - вода (c_p=4186Дж/(кг°С), расход

0,015л/(м²°С);

- в системе отопления - воздух.

Угол наклона солнечного коллектора к горизонту b принимается равным географической широте ц, на которой расположен город с объектом теплоснабжения.



2. СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

2.1 Определение тепловых нагрузок системы

Месячная тепловая нагрузка системы отопления, Вт, определяется по формуле:

Q_оm = q_0*a_*V_зд*(t_в - t_но);Вт.

Для января месяца Q_оm = 0,7_*1,67_*150_*(22-6,2)=4944,87кВт,

гдеq₀- удельная отопительная характеристика здания, Вт/м³ °С, (табл. 2.1.1);

a- поправочный коэффициент, вводится в случае отличия расчетной температуры отопительного периодаtот -30 °С (табл. 2.1.2);

V_д - объем здания по наружному обмеру, м²;

t_e- температура внутри здания, °С;

t_но- среднемесячная температура наружного воздуха, °С.

Табл. 2.1.1 Удельные тепловые характеристики зданий приt = --

Наименование производственного помещения	Объём Vзд, тыс.м3	Удельная тепловая характери- стика, Вт/м3 °С
		На отопление	На вентиляцию
Бытовые и административные здания	0,5 - 1	0,52 - 0,70	-
	1 - 2	0,47 - 0,52	-
	2 - 5	0,40 - 0,47	0,14 - 0,16
	5 - 10	0,35 - 0,39	0,12 - 0,15
	10 - 20	0,29 - 0,35	0,11 - 0,13

Таблица 2.1.2 Поправочный коэффициентa

Т, °с	0	-5	-10	-15	-20	-25	-35	-40	-45
a	2,05	1,67	1,45	1,29	1,17	1,08	0,95	0,90	0,85

Месячное потребление тепловой энергии на отопление, Дж/мес,

Для января месаца:

ср- удельная теплоемкость воды, 4186 Дж/кг °С;

Qom.м = Qom_*nс =4944,87_*2678400=13,244ГДж/мес,

гдеnс - число секунд в месяце = 2678400 с.

Нагрузка горячего водоснабжения в зимний период, Вт, определяется по формуле

Qгв = Gгв_*пж_*Ср_*(tгв -- tхв).

Для января месяца:Qгв= 0,0005_*3_*4186_*(60-5) = 345,35 Вт.

t_гв- температура горячей воды, 60°С;

t_xв-температура холодной воды, 5°С.

Месячное потребление тепловой энергии на горячее водоснабже-

ние:

Q_гв.м =Q_гв*nс,Дж/мес.

Для января месяца:Q_гв.м= 345,35_*2678400=0,92ГДж/мес,

Полное месячное потребление тепловой энергии, ГДж/мес, определяется как:

Qm =Qom.м+Qгв = 13,244+0,92=14,164ГДж/мес

Результаты расчетов отопительных нагрузок целесообразно пред-

ставить в виде таблицы (табл. 2.1.3).



Таблица 2.1.3 Нагрузки системы солнечного теплоснабжения

Месяц	tно, °с	пс,	Qom, Вт	Qom.м ГДж/мес	Qгв, Вт	Qгв.м, ГДж/мес	Qм, ГДж/мес	Е МДж/м2сут
Январь	- 6,2	2678400	4944,87	13,244	345,35	0,92	14,164	2,03
Февраль	- 6,4	2678400	4979,94	13,34	345,35	0,92	14,254	4,57
Март	-1,4	2678400	4103,19	10,99	345,35	0,92	11,91	8,03
Апрель	6,3	2678400	2752,9	7,37	345,35	0,92	8,29	12,63
Май	12,5	2678400	0	0	282,56	0,76	0,76	18,61
Июнь	15,8	2678400	0	0	282,56	0,76	0,76	20,67
Июль	17,8	2678400	0	0	282,56	0,76	0,76	18,71
Август	16,3	2678400	0	0	282,56	0,76	0,76	14,39
Сентябрь	10,9	2678400	0	0	282,56	0,76	0,76	9,87
Октябрь	5,3	2678400	2928,3	7,84	345,35	0,92	8,76	4,52
Ноябрь	- 0,9	2678400	4015,52	10,76	345,35	0,92	11,68	1,73
Декабрь	-7,6	2678400	5190,36	13,9	345,35	0,92	14,82	1,29

2.2 Определение параметров солнечного коллектора

В течение года коллектор системы солнечного теплоснабжения работает в широком диапазоне условий. Для рассмотрения работы коллектора при переменных условиях необходимо определить зависимость его мгновенных характеристик от метеорологических и режимных факторов. Описать характеристики коллектора возможно с помощью двух параметров, один из которых определяет количество поглощенной энергии, а другой - потери тепла в окружающую среду. Эти параметры определяются в результате испытаний, в которых измеряется мгновенная эффективность коллектора в соответствующем диапазоне условий (рис. 2.2.1).

Эффективность коллектора определяется по формуле:

? =Q_к/1_КA

гдеQ_K- полезная энергия, отводимая из коллектора, Вт;

A- площадь коллектора, м²;

F_r- коэффициент отвода тепла из коллектора;

1_К - плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости

коллектора, Вт/м²;

t- пропускательная способность прозрачных покрытий по отношению к солнечному излучению;

a- поглощательная способность пластины коллектора по отношению к солнечному излучению;

k_k- полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м °С);

t_k1- температура жидкости на входе в коллектор, °С;

t- температура окружающей среды, °С.

Эффективность коллектора определяется по формуле

(2.1)

где - полезная энергия, отводимая из коллектора, Вт;

А - площадь коллектора, м²;

- коэффициент отвода тепла из коллектора;

- площадь потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/ м²;

- пропускательная способность прозрачных покрытий по отношению к солнечному излучению;

- проницательная способность пластины по отношению к солнечному излучению;

- полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м²*?С);

- температура жидкости на входе в коллектор, ?С;

- температура окружающей среды, ?С.

При условии = const зависимость коллектора от параметра линейна, причем угловой коэффициент прямой равен - , а координата точки пересечения с вертикальной осью составляет .

Для коллектора КМЗ (нерж. сталь) в соответствии с рис.2.2.1 [1]

= 0,78. Угловой коэффициент прямой есть тангенс её угла наклона, тогда Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

-

- = tgб,

-= = 4,6.

2.3 Определение прихода солнечной радиации

Среднемесячный дневной приход суммарной солнечной радиации на наклонную поверхностьЕ_кравен:

,

где E - среднемесячный дневной приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность;

R - отношение среднемесячных дневных приходов суммарной радиации на наклонную и горизонтальную поверхности.

где - среднемесячный дневной приход диффузной радиации на горизонтальную поверхность;

- отношение среднемесячных дневных приходов прямой радиации на наклонную и горизонтальную поверхности;

в - угол наклона коллектора к горизонту;

с - отражательная способность земли.

,

где - показатель облачности.

Для января месяца:

Е_д =1,39 - 4,03*0,3+5,53*0,3² - 3,11*0,3³ = 0,6

,

где- Е₀ - среднемесячный приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность за пределами земной атмосферы (табл.2.3.1).

Для января месяца:

К_т= 2,03/6,68 = 0,3



Таблица 2.3.1 Среднемесячный дневной приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность за пределами земной атмосферы Е_0, МДж/м

Северная широта	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
25	23,9	28,2	33,0	37,1	39,4	40,1	39,6	37,9	34,4	29,5	24,9	22,7
30	21,1	25,7	31,3	36,5	39,6	40,7	40,1	37,6	33,1	27,3	22,1	19,7
35	18,1	23,1	29,3	35,5	39,6	41,2	40,3	37,0	31,5	24,9	19,2	16,7
40	15,1	20,3	27,2	34,3	39,3	41,4	40,3	36,2	29,7	22,3	16,3	13,6
45	12,0	17,5	24,8	32,8	38,8	41,3	40,0	35,1	27,7	19,6	13,3	10,6
50	9,0	14,5	22,3	31,2	38,1	41,2	39,6	33,8	25,4	16,7	10,3	7,6
55	6,1	11,5	19,5	29,3	37,2	40,9	39,1	32,4	23,0	13,8	7,3	4,8

Среднемесячный дневной приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность за пределами земной атмосферы для января месяца: Е₀₌

.

Среднемесячный дневной приход солнечной радиации на горизонтальную по-

верхность за пределами земной атмосферы для января месяца:

Е₀₌9,0 + (54 - 50)_* (6,1 - 9,0) / (55-50) = 6,7 МДж/м²

Результаты по остальным месяцам вносятся в таблицу 2.3.1.

Для остальных месяцев аналогично, результаты приведены в таблице 3.1.

Rп - определяем по номограмме рис.2.3.2. Для января Rп = 4,35.

Отношение среднемесячных дневных приходов суммарной радиации на наклонную и горизонтальную поверхности составит 

Для января месяца:

R = (1 - 0,6)*3,54+0,6*(1+0,58)/2 + 0,23*(1-0,58)/2= 3,54

Среднемесячный дневной приход суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность в январе составит

Для января месяца:

Е_к = 2,03*3,54 = 7,18МДж/м²сут

Для остальных месяцев аналогично, результаты приведены в таблице 2.3.2.



Рис. 2.3.1 Величина Rп для ориентированных на юг поверхностей

Таблица 2.3.2 - Среднемесячный дневной приход солнечной радиации на наклонную поверхность

месяц					R		Е0 МДж/м2
январь	2,03	0,3	0,6	4,6	3,54	7,18	6,68
февраль	4,57	0,38	0,59	3,0	2,9	12,8	12,1
март	8,03	0,4	0,48	,8	2,47	19,8	20,06
апрель	12,63	0,48	0,42	1,24	2,19	27,6	20,06
май	18,61	0,5	0,37	0,88	1,96	36,5	37,38
июнь	20,67	0,51	0,37	0,77	1.88	38,8	40,96
июль	18,71	0,47	0,4	0,77	1,9	35,5	39,2
август	14,39	0,48	0,42	1,15	2,14	30,79	32,68
сентябрь	9,87	0,42	0,43	1,57	2,38	23,5	23,48
октябрь	4,52	0,31	0,6	2,54	2,72	12,3	14,38
ноябрь	1,73	0,22	0,75	4,07	2,91	5,0	7,9
декабрь	1,29	0,24	0,71	5,96	3,57	4,6	5,36



2.4 Определение влияния ориентации коллектора

В зависимости от ориентации коллектора и времени года среднемесячные значения пропускательной и поглощательной способности могут быть значительно меньше, чем при нормальном падении излучения.

где ,, - среднемесячные значения приведенной поглощательной способности по отношению к прямому, диффузному и отраженному от земли излучениям, альбедо (с) принимаем среднее 0,23.

Среднемесячный угол падения прямого излучения определим по рисунку 2.4.3[1].

Для января = 42,5?. Из рисунка 2.4.1 и рисунка 2.4.2 определяем =0,97, =0,96 соответственно.

(фб)_nр/(фб)_n = 0,97*0,96 = 0,93

Для января месяца:

фб/(фб)_n = (1 - 0,6) * 4,6/3,54*0,93 + 0,6 * (1 + 0,58)/(2*3,54)*0,82 +0,23*

*(1 - 0,58)/(2*3,54) * 0.82 = 0,67

Для остальных месяцев аналогично, результат приведен в таблице 2.4.1

Средние углы падения диффузного и отражённого излучений для любого месяца принимается равными 60?.



==0,88,.

.

Для января месяца:

фб/(фб)_n = (1 - 0,6) * 4,6/3,54*0,93 + 0,6 * (1 + 0,58)/(2*3,54)*0,82 +0,23*

*(1 - 0,58)/(2*3,54) * 0.82 = 0,67

Для остальных месяцев аналогично, результат приведен в таблице 2.4.1.

Таблица 2.4.1 - Среднемесячная приведенная поглощательная способность солнечный энергия теплообменник коллектор

Месяц
Январь	42,5	0,95	0,82	0,82	0.67
Февраль	39	0,96	0,82	0,82	0,53
Март	37,5	0,97	0,82	0,82	0,49
Апрель	38,7	0,97	0,82	0,82	0,43
Май	41,5	0,96	0,82	0,82	0,46
Июнь	43,5	0,95	0,82	0,82	0,33
Июль	42,5	0,95	0,82	0,82	0,36
Август	39	0,96	0,82	0,82	0,42
Сентябрь	37,5	0,97	0,82	0,82	0.47
Октябрь	38	0,97	0,82	0,82	0,48
Ноябрь	41,5	0,96	0,82	0,82	0,5
Декабрь	43,5	0,95	0,82	0,82	0,58



2.5 Определение влияния теплообменника

Отношение называют поправочным коэффициентом, учитывающим влияние теплообменника.

где - меньший из двух водяных эквивалентов в теплообменнике;

- теплоемкость теплоносителя в контуре солнечного коллектора.

Для антифриза при А = 2м²

Сmin=2 _*0,015_* 3350 = 100,5Дж/кг С⁰

Для антифриза при А = 3 м²

Сmin=3 _*0,015_* 3350 = 150,75 Дж/кг С⁰

Для антифриза при А = 4 м²

Сmin=4 _*0,015_* 3350 = 201 Дж/кг С⁰

Для воды при А = 2 м²

Сmin=2 _*0,015_* 4186 = 125,58 Дж/кг С⁰

Для воды при А = 3 м²

Сmin=3 _*0,015_* 4186 = 188,37 Дж/кг С⁰

Для воды при А = 4 м²

Сmin=4 _*0,015_* 4186 = 251,16 Дж/кг С⁰

Для антифриза при А = 2 м²

F_R'/ F_R= 125,58

Для антифриза при А = 3 м²

F_R'/ F_R= 188,37

Для антифриза при А = 4 м²

F_R'/ F_R= 251,16

Для других значений А значение F_R'/ F_R остается неизменным.

2.6 Расчёт доли тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счёт солнечной энергии

Энергетический баланс системы солнечного теплоснабжения за месячный период можно представить в виде

Q_к.м??Q_м??Q_д???Q_ак.,

где - месячная теплопроизводительность солнечной установки, Дж/мес;

Q_м - сумма месячных нагрузок отопления и горячего водоснабжения, Дж/мес;

Q_д - общее количество энергии, полученное в течение месяца от дублирующего устройства, Дж/мес;

?Q_ак - изменение количества энергии в аккумулирующей установке, Дж.

Если пренебречь ?Q_ак, то

где - доля полной месячной тепловой нагрузки , обеспечиваемой за счёт солнечной энергии. Зависимость между , и в диапазоне , можно описать следующим уравнением:

; при х = 100 Х_с/Х = 0,93

Произведем расчет для января при А = 2м²:

X_c/X = (100/75)^-0.25 = 0,93

Х = 4,6*0,962*(100+6,2)*2/(14,164*10⁹) = 0,17;

Y = 0,78*0,962*125,58*0,67*7,18*31*2/(14,164*10⁹)=0,02;

f = 1,029*0,02-0,065*0,17-0,245*0,02²+0,0018*0,17²+0,0215*0,02³ = 0,01



Для других месяцев при других значениях площади коллектора расчет производится аналогично, результат приведен в табл.6.1. и представлен в виде зависимости доли годовой нагрузки от площади коллектора на рис.2.4.1.

Таблица 2.4.2 - Определение доли нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии

Определение доли нагрузки, обеспечиваемой за счёт солнечной энергии
П Л О Щ А Д Ь К О Л Л Е К Т О Р А, мІ
Месяц	А1	А2	А3
	X	Y	f	f*Qm, ГДж	X	Y	f	f*Qm, ГДж	X	Y	f	f*Qm, ГДж
Январь	0,17	0,02	0,01	0,14	0,255	0,03	0,015	0,21	0.34	0,04	0,02	0,28
Февраль	0,188	0,021	0,01	0,14	0.2465	0,031	0,015	0,21	0,328	0,042	0,02	0,28
Март	0,249	0,03	0,01	0,11	0,282	0,0,045	0,015	0,17	0,376	0,06	0,02	0,22
Апрель	2,4	1,13	1,00	0,08	0,374	1,95	1,0	0,08	0,498	2,26	1,00	0,08
Май	2,4	1,2	1,00	0,07	3,6	1,8	1,0	0,07	4,8	2,4	1,00	0,07
Июнь	2,4	1,2	1,00	0,07	3,6	1,8	1,0	0,07	4,8	2,4	1,00	0,07
Июль	2,4	1,17	1,00	0,07	3,6	1,75	1,0	0,07	4,8	2,34	1,00	0,07
Август	2,4	1,3	1,00	0,07	3,6	1,95	1,0	0,07	4,8	2,6	1,00	0,07
Сентябрь	2,4	1,11	1,00	0,07	3,6	1,7	1,0	0,07	4,8	2,21	1,00	0,07
Октябрь	0.238	0,82	1,00	0,08	0,357	1,23	1,0	0,08	0,476	1,64	1,00	0,08
Ноябрь	0,19	0,55	0,01	0,11	0,285	0,82	0,01	0,13	0,38	1,1	0,01	0,15
Декабрь	0,16	0,56	0,01	0,14	0,24	0,84	0,01	0,17	0,32	1,12	0,01	0,18

Рис.2.4.1 - Зависимость доли годовой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, от площади коллектора



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Зависимость между площадью солнечного коллектора и долей нагрузки нелинейная.

Используя полученные данные можно спроектировать теплоснабжение объекта с учетом доли нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечного коллектора.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Агеев В. А. Расчет долгосрочных характеристик системы солнечного теплоснабжения / В. А. Агеев.- Саранск: Изд-во Мордов. ун-та,2004. - 16с.

2. Бекман У. Расчет системы солнечного теплоснабжения: Пер. с англ./ У. Бекман, С.Клейн, Дж. Даффи. М.:Энергоиздат, 1982. 80с.

3. ГОСТ Р 51595 - 2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Общие технические условия. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000.

4. Теплонасосные гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения зданий / М. С. Плешка, П. М. Вырлан, Ф. И. Стратан, С. Г. Булкин. Кишинёв: Штиинца, 1990. 122 с.

5. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха: Справ.пособие / Л. Д. Богуславский, В. И. Ливчак, В. П. Титов и др.; Под ред. Л. Д. Богуславского, В. И. Ливчака. М.: Стройиздат, 1990. 624 с.

Размещено на Allbest.ru

...