CC BY
25УДК 621.311.243:697.1:004.421
АЛГОРИТМ РАСЧЁТА СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА ДЛЯ ЖИЛОГО ПОМЕЩЕНИЯ
Зеленцов Д.С., магистрант, направление подготовки 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Семенова Н.Г., доктор педагогических наук, кандидат технических наук, профессор кафедры автоматизированного электропривода, электромеханики и электротехники, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Аннотация. Рост тарифов на коммунальные услуги и отопление, а также удалённость частных объектов от центральных тепло и электросетей, в настоящее время обусловили актуальность применения альтернативных источников энергии, например, солнечных коллекторов. Целью данной статьи является разработка алгоритма расчёта тепловой мощности такого устройства, описывающего последовательность математических действий и определяющего ключевые параметры. К основным задачам исследования относится поэтапный учёт всех основных параметров, необходимых для оценки теплового потребления здания и мощности устанавливаемого нетрадиционного источника энергии. Полученные результаты могут быть использованы инженерами-проектировщиками, при разработке систем отопления частных помещений, а также студентами и аспирантами при оценке и исследовании эффективности нетрадиционных источников энергии. Дальнейшим этапом настоящего исследования запланирована разработка и тестирование системы автоматизации, которая позволит поддерживать заданные температурные характеристики помещения с учётом теплоснабжения от солнечного коллектора.
Ключевые слова: тепловые потери и мощность, солнечный коллектор, алгоритм расчёта.
ALGORITHM FOR SIMPLIFIED CALCULATION OF SOLAR COLLECTOR
FOR HOUSING ROOMS
Zelentsov D.S., master student, training direction 13.04.02 Power engineering and electrical engineering, Orenburg State University, Orenburg e-mail: denis.zelentzov3@gmail .com
Semenova N.G., Doctor of Pedagogic, Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Automated Electric Drive, Electromechanics and Electrical Engineering, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Abstract. The growth of tariffs for utilities and heating, as well as the remoteness of private facilities from central heat and power grids, has now determined the relevance of using alternative energy sources, such as solar collectors. The purpose of this article is to develop an algorithm for calculating the thermal power of such a device, which describes the sequence of mathematical operations and determines the key parameters. The main objectives of the study include the phased accounting of all the main parameters necessary for estimating the heat consumption of a building and the installed power of an unconventional energy source.
The results can be used by engineers, designers, in the development of heating systems of private premises, as well as students and graduate students in assessing and studying the effectiveness of alternative energy sources. The next step in this study is the development and testing of an automation system that will allow you to maintain the specified temperature characteristics of the room, taking into account the heat supply from the solar collector.
Keywords: heat loss and power, solar collector, calculation algorithm.
В настоящее время использование альтернативных источников энергии наиболее востребовано частными потребителями. Рост тарифов на коммунальные услуги и отопление, а также удаленность многих объектов от центральных тепло и электросетей всё чаще определяет интерес к таким устройствам как ветрогенераторы, солнечные
батареи и коллекторы [4].
Проектирование нетрадиционных источников энергии проводится на основе климатических параметров, и конструкционных характеристик помещений, их планируемого использования. Чаще всего методики таких разработок являются секретами фирм производителя, и не доступны потребителю,
что определяет актуальность темы данной работы. Целью исследования является разработка упрощенного алгоритма расчёта солнечного коллектора [1] для жилого помещения. Входными данными алгоритма являются параметры жилого помещения (расположение комнат, устройство стен, количество окон и дверей, а также материалы, из которого они изготовлены) и климатические характеристики (температура самой холодной пятидневки, требуемая средняя, продолжительность отопительного периода, минимальная среднемесячная температура, среднемесячное дневное количество рассеянной и суммарной солнечной энергии и др.). На основании проведенного анализа научно технической литературы [2, 3, 5] выделим 4 этапа расчета коллектора солнечной энергии и охарактеризуем кратко каждый из них.
На первом этапе определяются тепловые потери. Для этого рассчитываются градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) и общее термическое сопротивление теплопередачи наружной стены, которое зависит от
её устройства, толщины слоёв и их теплопроводности. Основным полученным параметром является тепловые потери южной стены за один час при температуре самой холодной пятидневки. Отдельно рассчитываются тепловые потери дверей и окон.
На втором этапе рассчитываются тепловые поступления от имеющихся систем отопления (котла, центрального теплоснабжения, электрообогрева
и т. д.) и составляется уравнение баланса, на основании которого принимается решение об установке КСЭ.
На третьем этапе рассчитывается коэффициент полезного действия устанавливаемого солнечного коллектора. Для этого определяется среднее дневное количество суммарного солнечного излучения на горизонтальную поверхность, коэффициент его пересчёта и определение на наклонную, а также учёт потерь коллектора над и под абсорбером.
На заключительном четвертом этапе осуществляется определение максимального количества теплоты, получаемое в день с 1 м2 площади КСЭ и среднемесячная удельная теплопроизводитель-ность. Проводится оценка установки коллектора по периметру помещения, устройство теплопроводя-щих каналов и их автоматизация.
В общем виде алгоритм упрощённого расчёта коллектора солнечной энергии представлен на рисунке 1. По разработанному алгоритму был произведен расчет солнечного коллектора, установленного на территории Оренбургской области. Результаты расчета сведены в таблицу 1. На рисунке 2 представлен годовой график среднемесячной удельной теплопроизводительности солнечного коллектора. Из графика следует, что среднемесячная теплопро-изводительность коллектора с марта по октябрь удовлетворяет требованиям для отопления жилых зданий и помещений, находящихся на территории Оренбургской области [6].
Таблица 1 - Расчетные данные
Параметры коллектора Месяцы
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Коэффициент пересчета Я 1,958 1,981 2,03 2,05 1,38 1,4 1,39 1,4 1,42 1,49 1,59 1,57
Солнечная энергия поступающая на коллектор Ек(кВт■ч/м2■день} 63,63 108,4 198,4 262,6 238,6 246,6 244,9 211,3 139,8 74,32 40,6 32,75
Коэффициент тепловых потерь коллектора Кк 0,96 0,72 0,53 0,44 0,41 0,388 0,375 0,383 0,42 0,58 0,97 1,34
КПД п % 0,337 0,61 0,74 0,78 0,8 0,8 0,81 0,80 0,79 0,71 0,32 -0,3
Максимальное количество теплоты получаемое в день С>к (кВт- ч/м2■день) 21,44 64,97 146,4 205,6 190,2 198,4 197,8 170,3 110,6 52,5 12,95 -9,73
Среднемесячная удельная тепло-производительность С)м(кБт ■ ч/м2 ■ мес) 664,7 1819 4539,7 5169 5497 5951 6133 5278 3318 1627 389 -301
Рисунок 1 - Алгоритм упрощённого расчёта солнечного коллектора
Рисунок 2 - Годовой график производительности коллектора
Литература
1. Бутузов В. А. Солнечные коллекторы / В. А. Бутузов, Е. В. Брянцева, В. В. Бутузов, И. С. Гнатюк // Малая энергетика. - 2010. - № 3 (35). - С. 50-56.
2. Капустин Н. Ф. Методические принципы энергетического анализа гелиотехнических систем / Н. Ф. Капустин, В. В. Кузьмич, Э. К. Снежко // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве: Материалы Международной науч.-техн. конференции (Минск, 10-11 октября 2012 г.). - Минск, 2012. - С. 47-51.
3. Германович В. Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы / В. Германович, А. Турилин. - СПб.: Наука и техника, 2011. - 320 с.
4. Семенова Н. Г. Сравнительный анализ существующих типов солнечных коллекторов / Н. Г. Семенова, Д. С. Зеленцов, // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры // Материалы Всероссийской научно-методической конференции; Оренбург. гос. ун-т. -Оренбург: ОГУ, 2018.
5. Туник А. А. Процессы тепломассопереноса и гидравлические режимы в плоском солнечном коллекторе с меандрообразными тепловоспринимающими трубками для систем отопления: диссертация канд. тех. наук: - Иркутск, 2017. - 171 с.
