CC BY
14
УДК 620.97: 697.329
Шаповал Степан Петрович, канд. техн. наук., асистент кафедри теплогазопостачання та вентиляцп. Нацюнальний унiверситет «nibis^^ полггехшка», м. Львiв, Укра!на. Вул. Карптського 6, м. Львiв, Укра'та, 79013. Тел. +38 (032) 258-27-05. Email: shapovalstepan@gmail.com. ID ORCID: orcid.org/0000-0003-4985-0930 Мисак Йосиф Степанович, д-р техн. наук, проф., завщувач кафедрою теплотехшки, теплових i атомних електричних станцш. Нацюнальний ушверситет «Львiвська полiтехнiка», м. Львiв, Укра!на. Вул. Устiяновича 5, м. Львiв, Украша, 79013. Тел. +38 (032)2582515. E-mail: s.mysak@yandex.ru. ID ORCID: http://orcid.org/0000-0000-0000-0000
ЕНЕРГЕТИЧНА ЕФЕКТИВН1СТЬ КОМБ1НОВАНОГО 13 3ОВН1ШН1М 3АХИЩЕННЯМ
БУД1ВЛ1 ГЕЛ1ОКОЛЕКТОРА
Подано результати експериментальних до^джень системи сонячного телпостачання i3 гелiостiною в режимi цирикуляци. Описано результати до^джень надходження випромтювання на гелiостiну. Встановлено графiчнi залежностi температури нагрiву теплоноая на входi та виходi гелiостiни, а також в баку-акумуляторi та кiлькостi тепла, що отримала гелюустановка вiд часу опромiнення ii джерелом тепла. Ключовi слова: гелiоколектор, сонячне випромiнювання, юльюсть тепла.
Шаповал Степан Петрович, канд. техн. наук., ассистент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции. Национальный университет "Львовская политехника", г. Львов, Украина. Ул. Карпинского 6, м. Львов, Украина, 79013. Тел. +38 (032) 258-27-05. Email: shapovalstepan@gmail.com. ID ORCID : orcid.org/0000 - 0003-4985-0930 Мисак Йосиф Степанович, д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой теплотехники, тепловых и атомных электрических станций. Национальный университет "Львовская политехника", г. Львов, Украина. Ул. Устияновича 5, г. Львов, Украина, 79013. Тел. +38 (032) 2582515. E - mail: s.mysak@yandex.ru. ID ORCID : http://orcid.org/0000-0002-43 74-3299
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМБИНИРОВАННОГО С ВНЕШНЕЙ ЗАЩИТОЙ
ЗДАНИЯ ГЕЛИОКОЛЛЕКТОРА
Поданы результаты экспериментальных исследований системы солнечного телпостачання из гелиостеною в режиме циркуляции. Описаны результаты исследований поступления излучения на гелиостену. Установлены графические зависимости температуры нагрева теплоносителя на входе и выходе гелиостены, а также в баке-аккумуляторе и количества тепла, которое получило гелиоустановка от времени облучения ее источником тепла.
Ключевые слова: гелиоколлектор, солнечное излучение, количество тепла.
Shapoval Stepan Petrovych, Ph. D., assistant of department of Heat and ventilation. National University "Lviv Polytechnic", Lviv, Ukraine. Str. Karpinski 6, Lviv, Ukraine, 79013. Tel. +38 (032) 258-27-05. Email: shapovalstepan@gmail.com. ID ORCID: orcid.org/0000-0003-4985-0930.
Mysak Yosyf Stepanovych, Ph. D., Professor, head of the Department teplotehnyky, thermal and nuclear power electric stations. National University "Lviv Polytechnic", Lviv, Ukraine. Str. Ustyyanovycha 5, Lviv, Ukraine, 79013. Tel. +38 (032) 2582515. E - mail: s.mysak@yandex.ru. ID ORCID: http://orcid.org/0000 - 0000-0000-0000.
ENERGY EFFICIENCY OF COMBINED HELIOCOLLECTOR WITH EXTERNAL WALL
OF BUILDINGS
The results of experimental researches of the system of solar heating system are given from heliowall in the mode of circulation. The results of researches of receipt of radiation are described on heliowall. Graphic dependences of temperature of heating of coolant-moderator are set on an entrance and exit of heliowal, and also in a tank-accumulator and amount of heat, that got solar heating system from time of irradiation of heat her source. Keywords: heliocollector, solar radiation, heat.
Вступ
Загострення енергетичних i еколопчних проблем, зокрема дефщит енергоноспв, проблема глобального потеплшня та змша р1вня традищйно'1 енергетики обумовило особливе ставлення до альтернативно'! енергетики, виводячи п з ряду перспективних ексклюзивних напрямюв у ряд першочергових необхщних завдань. Для можливосп застосування гелюустановок необхщно проанал1зувати та ствставити ресурси вщновлюваних джерел енергп з наявними невщновними. В Укрш'ш е вс передумови для штенсивного використання значного потенщалу нетрадищйно'1 енергп, зокрема сонячно'! Тому виникае необхщшсть у здшсненш комплексних заход1в щодо використання нетрадицшних джерел енергп.
Виршення ще" проблеми вимагае iстотних змiн у свгговому енергетичному балансi. Альтернативою традицшно" енергп е використання нетрадицiйних поновлюваних джерел енергп: енергiя Сонця, вiтру, надр земл^ тепла промислових та каналiзацiйних вiдходiв, води, та iн.
Анал1з останн1х досл1джень та публ1кац1й
1снуе багато рiзноманiтних конструкцiй сонячних колекторiв для забезпечення побутових та технолопчних потреб, проте поширення набувають комбшоваш сонячнi колектори [1, 2]. На "х ефективнiсть впливае багато факторiв: кути падiння випромiнювання [3] хмаршсть, швидкiсть i напрямок вiтру, географiчна широта, тощо [4-7]. Тому важливим е вивчення всiх факторiв, як впливають на роботу сонячних колекторiв та пошук оптимальних конструкцiй та режимiв "х роботи, для чого розроблено ряд методiв дослiджень [8]. На сьогодш не мнеш актуальним е будiвництво енергоефективних будинкiв, яю б могли не лише ефективно використовувати тепло, а й виробляти самi [9, 10].
Постановка проблеми
Одним з найперспектившших джерел альтернативно" енергетики е енергiя Сонця. Проте, системи сонячного теплопостачання iз сонячними колекторами, що наявнi в продажi е достатньо дорогими та створюють додаткове масове навантаження на конструкци споруд, на яких вони розмщуються.
Констурктивне поеднання сонячного колектора та огороджуючо" конструкцп будiвлi дозволить максимально здешевити вартiсть сонячно" системи теплопостачання, тдвищить "" енергоефективнiсть та спростить конструкщю. Тому, на сьогоднiшнiй день важливим е дослщження ефективностi гелюстши в системi сонячного теплопостачання.
Виклад основного матер1алу
Дослiдження проводилися на експериментальнш установцi, яка складалася iз гелiостiни, бака-акумулятора, вимiрювальних приладiв та джерела випромшювання. Схема гелюстши зображена на рис. 1.
5
Рис. 1. Схема гелюстши: 1 - цегляна стша; 2 - теп^золяцшний шар; 3 - тепловщбиваючий шар; 4 -трубки контуру циркуляцп; 5 -зворотний трубопровщ; 6 - подаючий трубопровiд
Гелiостiна в якосп сонячного колектора працюе наступним чином. Сонячне промшня попадае на тиньк 7 гелюстши, який виконуе функщю теплопровщного шару. При цьому вщбуваеться його нагрiвання. Тепло передаеться трубкам контуру циркуляцп 5. Теп^золяцшний шар 2 забезпечуе зменшення тепловтрат. Розмщення шару тепловiдбиваючого матерiалу 3 дае можливють збiльшити ефективнiсть використання
сонячного випромшювання, частина якого пройшла повз трубки контуру циркуляцп. Шар тепловщбиваючого матерiалу 3 вщбивае сонячне випромiнювання у зворотньому напрямку на трубки для теплоноая 5, в результатi чого поглинаеться практично все сонячне випромшювання, яке потрапляе на гелюстшу.
13
Рис. 2. Схема експериментально'1' установки: 1 - цегляна стша; 2 - циркуляцшна помпа; 3 - випромшювач теплово'1' енергп; 4 - тепловий потш; 5 - зворотний трубопровщ; 6 - подаючий трубопровiд; 7 - тиньк; 8 - бак-акумулятор;
9 - патрубок подачi води споживачу; 10 - патрубок спуску води (подачi холодно'1' води в
систему); 11 - пов^роспускник; 12 - термометри опору; 13 - цифровий термометр
За рахунок дп циркуляцшно'1' помпи, i вщповщно рiзницi тискiв в зонi вхiдного i вихiдного патрубкiв, створюеться циркуляцiя теплоноая. Нагрiтий теплоносiй через подаючий трубопровщ подаеться у бак-акумулятор гарячо'1' води. Нагр^а вода через патрубок подаеться споживачу. Охолоджений теплоносш по зворотньому трубопроводу повертаеться у гелюстшу, i на^ваеться.
Впродовж проведення експерименту вимiрювались: температура теплоносiя на входi в гелюспну; температура теплоносiя на виходi iз гелiостiни; температура теплоносiя в трьох точках бака-акумулятора, розташованих по вертикалi на однаковiй вiдстанi одна вщ одно'1'.
Здiйснювався контроль за тим, щоб на проведення експерименту не впливали iншi фактори (сонячна енергiя через вiкно, гладкi поверхш, затiнення сонячного колектора, тощо).
Для проведення експерименту факторами були обраш наступш величини:
- вiдстань над трубками контуру циркуляцп, ё, мм;
- швидюсть руху теплоносiя, V, м/с.
У данш статтi представлеш результати експериментальних дослiджень гелiостiни в системi сонячного теплопостачання при дiаметрi трубок контуру циркуляцп ё = 10 мм, вщсташ мiж трубками контуру циркуляцп I = 10 мм. Товщина тиньку над трубками контуру циркуляцп встановлювалась на рiвнi 30 мм. Швидкють руху теплоноая в контурi циркуляцп становила 0,15 л/хв. Дослщження проводились при штенсивносп теплового потоку
300 Вт/м2, що вщповщае середньому значенню iнтенсивностi сонячного випромшювання в Укра1ш впродовж дня.
Результати експериментальних вимiрювань температур теплоноая на входi та виходi гелюстши, а також усереднено! температури пов^ря бiля експериментально! установки подано у графiчнiй формi на рис. 3.
Рис. 3. Результати експериментальних дослщжень гелюстши: В - температура води на входi в гелюспну, °С; 1вих - температура води на виходi з гелiостiни, °С; tпoв - усереднена температура повiтря бшя експериментально! установки, °С
Проаналiзувавши графш, зображений на рис. 3, можна побачити поступове зростання температури води у гелюустановщ впродовж всього експерименту. Температура води на виходi з гелюстши досягае значення 17,6 °С, тобто за 120 хвилин опромшення тепловим потоком iнтенсивнiстю 300 Вт/м2 температура теплоноая на виходi збшьшилась на 44%.
Вiдповiдно до змши температур на входi та виходi гелiостiни, доцiльно проаналiзувати як змшювався 1! коефiцiент корисно! дп. Ефективнють сонячного колектора визначаеться за формулою:
ПгС = ^-100%, (1)
в
де 0ск - питома миттева теплова потужнiсть сонячного колектора, Вт/м2;
1в - штенсившсть випромшювання джерела на поверхню теплопоглинача сонячного колектора, Вт/м2.
Питома миттева теплова потужнють сонячного колектора визначалась наступним чином:
0ск = ° ' С ' (1вих " 1 вх) , (2)
Б
ск
де О - питома витрата теплоноая, кг/(см2);
с - питома теплоемнють теплоносiя, Дж/(кгК);
1вих, 1вх - температури теплоносiя на входi та виходi сонячного колектора, К.
Бск - площа гелюстши, м .
На рис. 4 зображено залежнють питомо! миттево! теплово! потужностi гелiостiни вiд часу опромшення, обраховано! за залежнiстю 2.
1з рис. 4 можна побачити, що питома миттева теплова потужнють гелюстши рiзко збiльшуеться вiд початку експерименту до 80-о1 хвилини i складае 165 Вт/м2, а далi знаходиться на одному рiвнi 162-168 Вт/м2.
Вщповщно до даних рис.4 за допомогою залежносп (1) отримано змшу коефiцieнта корисно'1 дп гелiостiни впродовж експирменту (рис. 5).
Рис. 4. Змша питомо'1 миттево'1 теплово'1 потужностi Qск Вт/м2 гелюстши залежно
вiд часу 11 опромшення Т, хв
О 20 40 60 80 100 120 140
Т. хв
Рис. 5. Змша коефщента корисно'1 дп' гелюстши Пгс залежно вщ часу опромiнення Т, хв
На графшу (рис. 5) спостер^аеться зростання значення коефiцieнта корисно'1 дп' до 80-о'1 хвилини (вщповщно до питомо'1 миттево'1 теплово'1 потужносп), що становить 0,59, а далi суттевих змiн не спостер^аеться i вiн залишаеться на одному рiвнi.
Доцiльно також проаналiзувати ефективнють дано'1 системи сонячного теплопостачання (загалом)вцшому за кiлькiстю енергп, що отримав бак акумулятор. Та на рис. 6 зображено змшу температури води в баку-акумуляторi впродовж експерименту.
З рис. 6 видно, що поступовий на^в води в баку-акумуляторi вщбуваеться впродовж усього експерименту на вах рiвнях (1бак1, 1бак2, 1бак.з) i навiть на промiжку вiд 80-о'1 до 120-о'1 хвилини, не дивлячись на те, що питома теплова потужнють тут не зростала (рис. 4).
Важливо також проаналiзувати скшьки тепла отримувала система впродовж експерименту за усередненою температурою в баку-акумуляторi iз 1 м2 гелiостiни.
Теплова енерпя, що акумулювалась в баку-акумуляторi визначалась за формулою:
= ш-с (3)
де т - маса теплоноая в баку-акумуляторi, кг; с - питома теплоемшсть теплоноая, Дж/(кгК);
^ - вщповщно початкова та кшцева температури теплоноая в бацi-акумуляторi, К.
Рис. 6. Змша температури води в баку-акумуляторг 1бак.1, ^ак.2, ^ак.3 - температури води по висот бака-акумулятора (див. рис. 2), °С; 1бак.ср. - усереднена температура води в бацьакумулятор^ °С
На рис. 7 можна побачити змшний характер енергп, що акумулюеться в баку-aкумуляторi впродовж експерименту. Варто зазначити, що середне значення отримано'1' енергп баком-акумулятором iз 1 м2 гелiостiни склало 51,7 кДж та коливалось в межах 15,799,5 кДж.
Рис. 7. Кшьюсть теплово'1' енергп, що акумулювалась у бaку-aкумуляторi iз 1 м гелюстши, що 5 хвилин впродовж експерименту Оскшьки отриманий коефцiент корисно'1' дп гелiостiни не враховуе тепловтрат через трубороводи, бак-акумулятор та iншi фактори, тому доцшьно проaнaлiзувaти його за кшьюстю тепла, що закумулював бак-акумулятор впродовж експерименту.
Олр = с ■ m •(tср,1 -tср,2) , (4)
де с - питома теплоeмнiсть теплоносiя, Дж ;
кг ■ К
т - маса теплоноая, кг;
Ър,!, ¡ср,2 - середш температури теплоносiя в баковьакумуляторов^ К.
Qпром = Рск ■ 1в ■АТ, (5)
у 2
де ^ск - площа теплопоглинача сонячного колектора, м ;
1в - штенсивнють випромiнювання джерела на поверхню теплопоглинача сонячного колектора, Вт/м2;
АТ - промiжок часу, с.
Стввщношення кiлькостi тепла накопиченого баком-акумулятором та кшькосп променево! енерги, що надiйшла на поверхню гелiостiни подано в табл. 1.
Таблиця 1
Час опромшення Т, хв Кшькють тепла Кшькють променево!
накопиченого баком- енерги, що надшшла на
акумулятором Оотр, кДж/м2 гешостшу Опром, кДж/м2
10 52 168
20 94 336
30 152 504
40 272 672
50 372 840
60 487 1008
70 623 1176
80 728 1344
90 896 1512
100 990 1680
110 1105 1848
120 1241 2016
На основi даних таблиц 1 отримана залежнiсть кiлькостi тепла системою сонячного теплопостачання на основi гелюстши вщ часу опромiнення:
Остр = 0,9123 Т 2 + 30,85 Т - 65,1, (6)
де Оотр - кшьюсть тепла, що накопичена баком-акумулятором, кДж;
Т - час опромшення, хв.
Аналогiчно визначаеться ефективнiсть системи сонячного теплопостачання Т]ССТ за кшьюстю енергп, отримано'1 баком-акумулятором 0отр:
Псст = -Ю0 %, (7) упром
де 0отр - кiлькiсть тепла, що отримав бак-акумулятор за час АТ, с, визначалась
експериментально; 0пром - кшьюсть променевого тепла, що надшшла на поверхню
теплопоглинача сонячного колектора за той самий промiжок
часу АТ , с.
Рис. 8. Змша коефщента корисно'1 дп гелiосистеми на основi гелюстши
впродовж експерименту
З графша рис. 8, можна побачити, що коефщент корисно'1 дп системи сонячного теплопостачання iз гелюстшою, з початку опромiнення до 20-о'1 хвилини дещо знижуеться вiд 0,44 до 0,28, а далi рiзко зрозстае до 85-о'1 хвилини i становить 0,59, пiсля чого знаходиться приблизно на одному i тому ж рiвнi.
Висновки
Проведенi дослщження пiдтверджують ефективнiсть використання гелiостiни у системах сонячного теплопостачання. Аналiз результат дослiджень показуе те, що коефщент корисно'1 дп гелiостiни при швидкосп руху теплоносiя V = 0,15 л/хв та вщсташ над трубками контуру циркуляцп ё = 10 мм е 0,45, а уае'1 системи в цшому - 0,47. Кшьюсть тепла, що отримала гелюсистема впродовж експерименту (за 120 хвилин) з 1 м2 гелiостiни становить 1241 кДж, що говорить про перспектившсть використання гелюстши у системах сонячного теплопостачання та необхщшсть подальших дослщжень.
Список лiтературних джерел:
1. Мисак Й. С. Сонячна енергетика: теор1я та практика: монограф1я / Й. С. Мисак, О. Т. Возняк, О. С. Дацько, С. П. Шаповал. - Льв1в: Видавництво Льв1всько1 полггехшки, 2014. - 340 с.
2. Твйделл Д. Возобновляемые источники энергии / Д. Твайделл, А. Уэйр; пер. с англ. под ред. В. А. Коробкова. - М. : Энергоатомиздат, 1990. - 391 с.
3. Шаповал С. П. Ефектившсть системи теплопостачання на основ1 сонячного колектора при змш1 кута надходження теплового потоку / С. П. Шаповал, О. Т. Возняк, О. С. Дацько // Вюник Нацюнального ушверситету "Льв1вська полггехшка" ["Теор1я 1 практика буд1вництва"]. - Л. : В-во НУ "ЛП", 2009. - № 655. -С. 299-302.
4. Одинцов А. Н. Целесообразность использования вертикальных солнечных коллекторов для терморегуляции помещений // Вюник СевДТУ, вип. 97: Мехашка, енергетика, еколопя: зб. наук. пр. — Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2009. - С. 204-209.
5. Kolektorz Sloneczne : energia sloneczna w mieszkalnictwie, hotelarstwie i drobnzm pryemysle / [G. Wisniewski, S. Gol^biowski, M. Grzciuk and outher]. - Warszawa : Medium, 2008. - 201 p.
6. Lorenz P. The economics of solar power / P. Lorenz, D. Pinner, T. Seitz. - The McKinsey Quarterly, June 2008. - P. 19.
7. Maczulak A. E. Renewable energy : Sources and Methods / Anne Maczulak. - NY : Infobase Publishing, 2010. - 206 p.
8. Perers B. Dynamic method of solar collector testing // Solar Energy Engng 2.- 1992.- P. 1149-1154,
9. Ogrzewnictwo : podstawy projektowania cieplnego i termomodernizacji bydynkow / [pod. red. Haliny Kocyzk]. - Poynan : Wydawnictwo Politechniki Poznanskiej, 2000. - 268 p.
10. Piotrowski R. Katalog Projektow Domow Pasywnych i Energooszcz^dnzch / Ryszlan Piotrowski. -Warszawa, 2006. - № 1 (1). - 71 p.
References:
1. Mysak Y. S., Vozniak O. T., Datsko O. S., Shapoval S. P., (2014), Soniachna enerhetyka: teoriia ta praktyka: monohrafiia / - Lviv: Vydavnytstvo Lvivskoi politekhniky, 2014. -340 p.
2. Tvidell D., Ueir A., (1990), Vozobnovliaemye ystochnyky enerhyy; per. s anhl. pod red. V. A. Korobkova. -M. : Enerhoatomyzdat, 1990. - 391 p.
3. Shapoval S. P., Vozniak O. T., Datsko O. S., (2009), Efektyvnist systemy teplopostachannia na osnovi soniachnoho kolektora pry zmini kuta nadkhodzhennia teplovoho potoku / Visnyk Natsionalnoho universytetu "Lvivska politekhnika" ["Teoriia i praktyka budivnytstva"]. - L. : V-vo NU "LP", 2009. - № 655. - P. 299-302.
4. Odyntsov A. N., (2009), Tselesoobraznost yspolzovanyia vertykalnbikh solnechnbikh kollektorov dlia termorehuliatsyy pomeshchenyi // Visnyk SevDTU, vyp. 97: Mekhanika, enerhetyka, ekolohiia: zb. nauk. pr. — Sevastopol: Vyd-vo SevNTU, 2009. - P. 204-209.
5. Kolektorz Sloneczne : energia sloneczna w mieszkalnictwie, hotelarstwie i drobnzm pryemysle / [G. Wisniewski, S. Gol^biowski, M. Grzciuk and outher]. - Warszawa : Medium, 2008. - 201 p.
6. Lorenz P. The economics of solar power / P. Lorenz, D. Pinner, T. Seitz. - The McKinsey Quarterly, June 2008. - P. 19.
7. Maczulak A. E. Renewable energy : Sources and Methods / Anne Maczulak. - NY : Infobase Publishing, 2010. - 206 p.
8. Perers B. Dynamic method of solar collector testing // Solar Energy Engng 2. 1992. - P. 1149-1154,
9. Ogrzewnictwo : podstawy projektowania cieplnego i termomodernizacji bydynkow / [pod. red. Haliny Kocyzk]. - Poynan : Wydawnictwo Politechniki Poznanskiej, 2000. - 268 p.
10. Piotrowski R. Katalog Projektow Domow Pasywnych i Energooszcz^dnzch / Ryszlan Piotrowski. -Warszawa, 2006. - № 1 (1). - 71 p.
Поступила в редакцию 20.04 2015 г.
