Автономная система сезонного горячего водоснабжения одноэтажного жилого дома с использованием солнечной энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ)

Контрольная работа

по предмету: Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

на тему: Автономная система сезонного горячего водоснабжения одноэтажного жилого дома с использованием солнечной энергии

Выполнил:

И.Б. Куролесов

Нижний Новгород 2017 г.



Содержание

1. Дополнительные исходные данные для разработки РГР

2. Принципиальная схема системы теплоснабжения объекта

3. Определение располагаемого количества солнечной энергии

4. Расчёт потребного количества теплоты на ГВС

5. Подбор основного оборудования

6. Расчёт полученного количества солнечной энергии

7. Оценка эффективности установки системы солнечного ГВС

Список использованных источников



1. Дополнительные исходные данные дли разработки РГР

Город: Нижний Новгород, координаты 56°19'37” с.ш., 44°00'27” в.д. Повторяемость направлений ветра по направлениям и повторяемость штилей в %

	С	СВ	в	ЮВ	Ю	ЮЗ	3	СЗ	Штиль
Январь	6	6	8	12	18	27	14	9	11
Июль	13	10	16	8	8	14	17	14	17

Среднемесячная температура воздуха: май 12 °С; июнь 16,4 °С; июль 18,4°С; август 16,9 °С.

Источником энергии для получения теплоты в системе теплоснабжения жилого дома принят первичный источник энергии - солнечная энергия.

Выбор основного источника теплоты децентрализованной системы теплоснабжения (ДЦСТ) определяется принятым решением применять в качестве источника энергии -- солнечную энергию. В качестве источника теплоты принимаем коллектор солнечной энергии (КСЭ).

Основной источник теплоты вырабатывает 1 тепловой поток -- для горячего водоснабжения (сезонного).

В качестве объекта РГР выбран жилой дом из представленных вариантов Методических указаний «Задания и рекомендации к расчётно-графической работе по дисциплине «Источники теплоты автономных систем теплоснабжения» -- рисунок П6.

1. Дом имеет в плане простую прямоугольную форму; имеется уступ, но в неотапливаемых помещениях.

2. Неотапливаемые помещения вынесены за пределы капитальных стен и перекрываются отдельными крышами. Стены пристроенных помещений более лёгкой конструкции и меньшей высоты, чем в жилой части дома. Для жилой части применена пальмовая двускатная крыша, для пристройки - односкатная.

3. С точки зрения рационального использования полезной площади проект относится к удачным. Коэффициент К| = 0,76 (отношение жилой площади к полезной).

4. В доме имеется терраса, что в дальнейшем можно использовать для увеличения жилой площади дома.

5. Дом одноквартирный трёхкомнатный. С улицы в неотапливаемые помещения 2 входа. В жилой дом 1 вход.

6. Площадь кухни 5,5 м2. При будущей возможности присоединения дома к канализационной сети возможно устройство санузла совместно с расширением и утеплением неотапливаемой пристройки.

Угол наклона коллектора солнечной радиации принят 45 градусов (к поверхности земли).

2. Принципиальная схема системы теплоснабжения объекта

По принципу работы выбираем солнечную водонагревательную установку с естественной циркуляцией теплоносителя. Она работает без насоса, не потребляет электроэнергию, проще в конструктивном исполнении, надёжнее в эксплуатации и почти не требует ухода. По своей эффективности установка с естественной циркуляцией теплоносителя практически не уступает установкам с принудительной циркуляцией.



Рисунок 1 - Принципиальная схема системы теплоснабжения с естественной циркуляцией теплоносителя

Установка содержит коллектор солнечной энергии, бак-аккумулятор горячей воды, подъёмную трубу и опускную трубу. В нижнюю часть бака-аккумулятора подводится водопровод с холодной водой (ХВ), и из его верхней части отводится к потребителю горячая вода (ГВ). Перечисленные элементы образуют контур естественной циркуляции воды. Солнечное излучение, проходя через прозрачное покрытие (остекление) коллектора нагревает его поглощающую панель и воду в её каналах. При нагреве плотность воды уменьшается, и нагретая жидкость начинает перемещаться в верхнюю точку коллектора и далее по трубопроводу - в бак-аккумулятор. Нижняя точка бака-аккумулятора должна располагаться выше верхней точки коллектора и не далее 3-4 м от коллекторов, патрубок для подпитки холодной воды следует присоединять к нижней части бака.

При соблюдении указанных условий в баке нагретая вода перемещается в верхнюю точку, а более холодная вода размещается в нижней части бака, т.е. наблюдается расслоение (стратификация) воды в зависимости от температуры. Более холодная вода из нижней части бака по трубопроводу поступает в нижнюю часть коллектора. Таким образом, при наличии достаточной солнечной радиации, в коллекторном контуре, устанавливается постоянная циркуляция, скорость и интенсивность которой зависят от плотности потока солнечного излучения.

Постепенно, в течение светового дня, происходит полный прогрев всего бака, при этом отбор воды для использования должен производиться из наиболее горячих слоев воды, располагающихся в верхней части бака. Обычно это делается подачей холодной воды в бак снизу под давлением, которая вытесняет нагретую воду из бака.

Непременным условием эффективной работы солнечной водонагревательной установки термосифоииого типа является тепловая изоляция всех нагретых поверхностей - прежде всего бака-аккумулятора, подъёмной и опускной труб, патрубка для отвода горячей воды к водозаборным кранам. Толщина тепловой изоляции бака составляет 50 мм, изоляция состоит из базальтового волокна.

Солнечные водонагревательные установки с естественной циркуляцией теплоносителя являются саморегулирующимися системами, и расход жидкости в них полностью определяется интенсивностью поступающего солнечного излучения, а также теплотехническими и гидравлическими характеристиками солнечного коллектора, бака- аккумулятора и соединительных трубопроводов.



3. Определение располагаемого количества солнечной энергии

Среднемесячное дневное количество солнечной энергии, поступающей в наклонную поверхность КСЭ:

Еь = R*E, МДж/(м²день),

где Е - среднемесячное дневное количество суммарного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, МДж/(м²день)

R - коэффициент пересчёта суммарной среднемесячной дневной солнечной радиации, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности КСЭ.

Для наклонной поверхности с южной ориентацией:

R = (1 - E_д / E) R_n + (1 + cosB)/2 х E_д / E + р х (1 - cosB)/2,

где Е_д -- среднемесячное дневное количество диффузионной (рассеянной) солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность, МДж/(м²день)

R„ -- коэффициент перерасчёт прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность;

Р - угол наклона КСЭ к горизонту, град, (Оптимальный угол наклона солнечного коллектора р к горизонту принимается для системы сезонного действия равным широте ср минус 15°). Принимаем Р = 56-15=41°. ^

р - коэффициент отражения (альбедо) для подстилающей поверхности Земли. Обычно летом 0,2, а зимой при наличии снежного покрова 0,7.

Среднемесячная величина коэффициента перерасчёта прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность определяется по формуле:



где - широта местности, град;

- угол склонения солнца, град;

W₃^/,W₃ -- часовой угол захода (восхода) Солнца для горизонтального и наклонного положения КСЭ, град.

Угол склонения солнца определяется по формуле:

где 23,45 -- угол наклона условной земной оси относительно нормали к плоскости вращения Земли вокруг Солнца, град; Угол склонения Солнца (5) зависит от вращения Земли вокруг Солнца, поскольку орбита вращения имеет эллиптическую форму и сама ось вращения тоже наклонена, то угол меняется в течение года от значения 23,45° (21 июня) до -23,45° (21 декабря). Угол склонения становится равным нулю два раза в год в дни весеннего и осеннего равноденствия.

360 - значение полного оборота Земли вокруг Солнца за год, град;

284 - число суток от 21 марта до 31 декабря.

п - порядковый номер дня года, отсчитываемый с 1 января (берём 15 число каждого месяца).

Часовой угол захода (восхода) Солнца для горизонтальной поверхности определяется по формуле:

= arccos(-lan

Часовой угол захода (восхода) Солнца для наклонной поверхности определяется по формуле:

Результаты расчётов сведены в таблицу

Месяцы Величины	май	июнь	июль	август
Угол склонения Солнца в n-ый день , град	18.8	23.3	21.5	13.8
Среднемесячное избыточное поступление суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность Е, МДж/(м2день)	18,63	19,74	19,17	15,12
Среднемесячное избыточное поступление диффузной солнечной радиации на горизонтальную поверхность Ед, МДж/(м2деиь)	8,31	9,73	10,26	8,1
Среднемесячная температура наружного воздуха /, °С	12	16,4	18,4	16,9
Часовой угол восхода (захода) Солнца для горизонтальной поверхности W3, град	120,7	130,3	126,3	111,6
Часовой угол восхода (захода) Солнца для наклонной поверхности W 3, град	95,2	96,6	96,1	93,8
Коэффициент пересчёта прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность R„	1,0326	0,9266	0,9671	1,1693
Отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации R	0,8931	0,8141	0,8145	0,9082
Среднемесячное дневное количество суммарной солнечной энергии Ек, МДж/(м2день)	16,64	16,07	15,61	13,73

4. Расчет потребного количества теплоты на ГВС

При расчёте солнечной системы теплоснабжения необходимо вычислить месячные расходы теплоты. Расходы теплоты в кДж на горячее водоснабжение в данном месяце равен:

где V_гв -- избыточный расход горячей воды на 1 человека по нормам л/(день чел). Принимаем по приложению 3 СНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация зданий», для жилых домов, оборудованных умывальниками, мойками и душами в средние сутки 85 л;

Ср - изобарная теплоёмкость воды, Ср = 4,19 кДж/кгград;

N -- число жителей, принимаем равное 3;

n_g - число дней в данном месяце;

t_гв - температура горячей воды, принимаем не ниже 50 градусов в распределительных стояках водозабора. Принимаем t_гв = 55 °С;

t_хв„ - температура холодной воды. Принимаем равной t_хв =15 °С (стр. 32 [4]).

Q_гв=4,19 х 85 х (55 - 15) х 3 х 30 = 1282140 кДж/мес. - для июня

Q_гв=4,19 х 85 х (55 - 15) х 3 х 31 = 1324878 кДж/мес. - для мая, июля, августа.

5. Подбор основного оборудования

Подбор коллектора солнечной энергии.

Основным конструктивным элементов солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии, её преобразование в теплоту и нагрей воды, воздуха или какого-либо другого теплоносителя. Систему горячего водоснабжения с использованием солнечных коллекторов проектируем для одноквартирного трёхкомнатного дома, жилая площадь 30,7 м2, полезная площадь 40,2 м2.

Солнечные коллекторы монтируются на крышу со стороны южного ската.

Для отопления и горячего водоснабжения наиболее пригодны плоские КСЭ, позволяющие нагревать теплоноситель до 55-80 °С. Эта температура совпадает с требуемой температурой горячей воды. Для того чтобы изготовить плоский КСЭ необходима лучепоглощающая поверхность, имеющая надёжный контакт с рядом труб и каналов для движения нагреваемого теплоносителя. Совокупность плоской лучепоглощающей поверхности и труб (каналов) для теплоносителя образует единый конструктивный элемент. Для лучшего поглощения солнечной энергии верхняя поверхность КСЭ должна быть окрашена в чёрный цвет или должна иметь специальное поглощающее покрытие.

Снижение тепловых потерь от КСЭ в окружающее пространство достигается путём применения тепловой изоляции, размещаемой над лучсвоспринимающей поверхностью, на определённом расстоянии от него. Все названные элемент помещаются в корпус, и производится уплотнение прозрачной изоляции -- остекление. Таким образом, получается плоский коллектор для нагрева жидкости.

К числу принципиальных преимуществ плоского КСЭ по сравнению с коллекторами других типов относится его способность улавливать как прямую (лучистую), так и рассеянную солнечную энергию и как следствие этого -- возможность его стационарной установки без необходимости слежения за Солнцем.

Принимаем жидкостный плоский солнечный коллектор «Сокол - Эффект», разработанный и изготовленный Военно-промышленной корпорацией «НПО машиностроения» http://sokolnpo.ru/.

Солнечный коллектор «Сокол - Эффект» предназначен для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию и передачи её теплоносителю (вода, незамерзающая жидкость). Используется как основной или дополнительный нагреватель в системах водо- и теплоснабжения. На его основе создаются комплексы сезонных или круглогодичных систем горячего водоснабжения и отопления индивидуальных жилых зданий, коммунально-бытовых и производственных объектов (гостиницы, пансионаты, бассейны, детские лагеря отдыха, предприятия общественного питания, фермерские хозяйства и т.д.). Солнечные коллекторы могут устанавливаться как на наклонной, так и на горизонтальной поверхностях.

Плоский солнечный коллектор «Сокол» представляет собой специальный теплообменник, преобразующий энергию солнечного излучения в тепловую энергию и передающий её теплоносителю -- жидкости, движущейся внутри каналов поглощающей панели (абсорбера) коллектора. теплоснабжение солнечная энергия вода

Солнечные коллекторы являются основным элементом систем солнечного теплоснабжения или бытовых солнечных водонагревателей и в их составе используются для обеспечения горячей водой жилых зданий, промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых объектов.

Солнечный коллектор «Сокол» можно использовать для нагрева не только воды, но и других жидких теплоносителей, совместимых с материалом его поглощающей панели и применяемых в системах отопления, кондиционирования, хладоснабжения и промышленных технологических процессах.

Главной особенностью солнечного коллектора СОКОЛ является многослойное оптическое селективное покрытие. Слой выполняется методом магнетронного напыления в специальной вакуумной камере и состоит из нескольких покрытий толщиной 50 мкм, различных по своему составу и физическим свойствам.

Поглощающий слой плоского солнечного коллектора СОКОЛ, в отличие от «пссвдоселективных» покрытий других производителей, обладает высокой степенью поглощения как видимых солнечных лучей, так и солнечной радиации в облачную погоду. Из-за низкого коэффициента черноты обратное излучение тепла минимально (3-5%). Благодаря этому солнечная энергия эффективно используется в системах нагрева воды и отопления, а нс излучается с поверхности коллектора. Получается "солнечная ловушка" с высокими показателями эффективности в условиях низких температур и малой солнечной инсоляции.

Конструкция коллектора.

Материалы и технологии.

Панель поглощающая (абсорбер)

Основной элемент коллектора. Панель листотрубная выполнена из 10 отдельных труб с плоскими рёбрами

Изоляция прозрачная.

В коллекторе используется однослойное прозрачное покрытие из закалённого стекла толщиной 4 мм. Для уплотнения стекла применяется П-образный профиль из атмосферостойкой EPDM резины.

Тепловая изоляция

Нижняя теплоизоляция представляет собой мат Rockwool из базальтового волокна толщиной 50 мм. покрытый со стороны поглощающей панели алюминиевой фольгой.

Корпус коллектора

Для этого коллектора специально разработаны два типа алюминиевых профилей (стенка и прижим стекла), которые покрываются стойкой и долговечной порошковой эмалью. В нижней части стенки корпуса имеется встроенное крепление для установки коллектора на монтажные опоры. Головки болтов М10 с размером «под ключ» 17 мм. вставляются в паз па боковой поверхности стенки и могут фиксироваться в любой точке периметра коллектора. Стекло устанавливается в корпус сверху на полки профиля и уплотняется прижимами без применения винтов. Замена повреждённого остекления при эксплуатации производится без демонтажа коллектора.



Габаритная площадь одного КСЭ -- 1,093 *2,008= 2,19 м2.

Эффективный оптический КПД КСЭ равен:

,

Эффективны й коэффициент теплопотерь КСЭ равен:

где 0,93 -- коэффициент, на который необходимо помножить эффективный оптический КПД КСЭ с южной ориентацией при двухслойном остекленей для СК «Сокол-Эффект» равен 0,9;

К_к = К_к° = 4,1.

⁼ 0,93 х 0,9 = 0,837.

Расчет требуемого количества солнечных коллекторов.

Мгновенное количество полезной энергии, даваемое КСЭ, определяется по формуле (16.11) [2]

F - Площадь поверхность КСЭ, м2;

- плотность суммарного потока солнечной радиации, поступающей на поверхность КСЭ за 1с, Вт/м² ,

- эффективный оптический КПД КСЭ, = 0,837

К_k - эффективный коэффициент тсплопотерь КСЭ, Кк = 4,1 Вт/(м2К);

T_T.H - температура теплоносителя па входе солнечного коллектора, T_T.H = t_хв = 15 °С.

Т_H -- температура наружного воздуха, °С.

КПД КСЭ равен нулю в том случае, если плотность потока солнечной энергии не превышает критического значения, определённого по формуле (16.9) [2]:

где t_ц -- это максимальная разность температур теплоносителя на входе в коллектор и на выходе из него с учётом возможных теплопотерь в окружающую среду. t₁ и t₂ - температура теплоносителя на входе и выходе солнечного коллектора. В одноконтурных системах t₁ = t_xB, и t₂ = t_гв = (t_хв + t_гв)/2 = (15 + 55)/2 = 35 °С.

Площадь 1 поглощающей панели 2,06 м². Принимаем 3 коллектора общей площадью

F_k- = 6,18 м².

Проверим достаточно ли количество полезной энергии, даваемoе КСЭ.

Расчёт сведён в таблицу 2.

Таблица 2 -- Расчёт требуемого количества солнечных коллекторов

Месяцы Величины	Май V)	Июнь (VI)	Июль (VII)	Август (V111)
Среднемесячная температура воздуха, Tв, °С	12,0	16,4	18,4	16,9
Критическое значение плотности потока солнечной энергии Iкр, Вт/м2	112,7	91,1	81,3	88,7
Мгновенное количество полезной энергии, даваемое КСЭ QK, Вт или Дж/сек	507	507	507	507
Количество полезной энергии, даваемое КСЭ, в месяц QK, кДж/мес	1357306	1313522	1357306	1357306
Расход теплоты на горячее водоснабжение Qn (вычислили в п. 4) Qr„, кДж/мес	1324878	1282140	1324878	J 1324878

Таким образом, количество полезной энергии, даваемое КСЭ, для всех четырёх месяцев больше расхода теплоты на горячее водоснабжение, то есть количество коллекторов СК «Сокол-Эффект» 3 штуки подобрано верно и достаточно.



. E=18.63МДж/м²день, Т=12⁰С, Е_к=16,64 МДж/м² день,

Q_гв=1159268 кДж/мес



Подбор бака-аккумулятора.

Применение аккумуляторов теплоты повышает надёжность солнечной системы теплоснабжения, обеспечивает покрытие нагрузки ночью и при повышенной облачности. Типичный годовой и суточный графики поступления солнечной энергии и изменения нагрузки теплоснабжения здания приведены на рисунке 3.

Рисунок 3 -- Типичные годовой (а) и суточный (б) графики изменения количества поступающей солнечной энергии Е и тепловой нагрузки теплоснабжения здания Q

В жидкостных системах солнечного теплоснабжения для аккумулирования теплоты используются баки с горячей водой, обладающий высокой теплоемкостью.

Емкость бака-аккумулятора V_ак определяется с учётом часового расхода воды в контуре теплообменника. Часовой расход определяется по следующей формуле:



G=((55-35)х4,19x31 х24) = 21,25 кг/ч Удельный объем бака-аккумулятора равен 0,05-0,15 м³/м² от площади КСЭ.

Объем бака -аккумулятора принимаем от 0,05x6,18= 0,31 м³ до 0,15x6,18= 0,93 м³. Принимаем V_ак ⁼ 1 м³.

Количество аккумулированной теплоты при отсутствии фазовых переходов теплоаккумулирующего материала равно:

Q = mс_р(T'₂-T₁), кДж

где т -- масса теплоаккумулирующего материала, кг;

Т₂, Т₁, -- температура воды до и после зарядки аккумулятора, принимаем равными „ и /_хв соответственно.

т = V_акр, кг

р -- плотность воды, р = 1000 кг/м .

m= 1x1000= 1000 кг.

Q= 1000x4,19х(55-15)= 163410 кДж.

Габариты конструктивной части 1100x1100x1000. Высота налива 800 мм.

Материал корпуса -- ст20.

Толщина тепловой изоляции 120 мм. Габариты общие 1340x1340x1240



Рисунок 4 -- Конструкция бака-аккумулятора в тепловой изоляции

6. Расчёт полученного количества солнечной энергии

Расчёт количества полезной энергии, даваемой КСЭ, приведён в таблице 2:

Q_к= 1313522 кДж/мес -- для июня.

Q_к= 1357306 кДж/мес - для мая, июля, августа.

Q_гв = 1282140 кДж/мес -- для июня.

Q_гв = 1324878 кДж/мес -- для мая, июля, августа.

Значения величины полезной энергии, даваемой КСЭ превышает значение величины расхода теплоты на горячее водоснабжение для данного месяца, т.е. количества Энергии, даваемой КСЭ будет достаточно для обеспечения необходимого расхода теплоты на горячее водоснабжение.

7 Оценка эффективности установки системы солнечного ГВС

Расчёт мгновенного КПД плоского КСЭ ведётся по месяцам



Параметр	май	июнь	июль	Август
	0,73	0,90	0,95	0,92

I Сезонный КПД определяется по графику в зависимости от площади солнечных коллекторов и вместимости бака-аккумулятора:

А = 10⁶6, 18/4,19853 (55 - 3 5 ) = 75,2 м2/(ГДжсут)

V= 10⁶ 1/4,19853(55 - 35) = 12,1 м³/(ГДжсут)

Суммарное количество теплоты, выработанное установкой в течении сезона, определяется по формуле;

Qсум = 1357306+1313522+1357306+1357306 = 5385440 кДж.



Список использованных источников

1. Федеральный закон №261 «Об энергосбережении» - ФЗ.

2. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. 4.1. Отопление / И. II. Богословский, Б. А. Крупно», А. Н. Скапави и др.; Под ред. И. Г. Староверова и ГО. И. Шиллера. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1990. - 344 с.

3. Климов Г. М., Задания и рекомендации к расчётно-графической работе по дисциплине «Источники теплоты автономных систем теплоснабжения» для студентов очной и заочной форм обучения специальностей 270109 «ТГВ» И 140104 «ПТ». - Ниж. Новгород: ННГАСУ, 2010. - 40 с.

4. Климов Г. М., Использование солнечной энергии для теплоснабжения зданий. Методические указания. - Ниж. Новгород: ННГАСУ, 2006. - 44 с.

5. ВСН 52-86. Установки горячего водоснабжения. Нормы проектирования.

6. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика.

7. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1-6. Вып. 29. Кировская, Костромская, Ярославская, Ивановская, Владимирская, Горьковская, Рязанская области. Удмуртская, Марийская, Чувашская, Мордовская АССР.

Размещено на Allbest.ru

...