CC BY
100
УДК 621.577
© И.В. Слесаренко, И.Б. Слесаренко, 2014
И.В. Слесаренко, И.Б. Слесаренко
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ В СХЕМЕ СОЛНЕЧНО-ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ
Рассмотрены условия эффективного использования солнечной энергии в системах теплоснабжения жилых зданий. Определена методика выбора схемы солнечной водонагревательной установки (СВНУ), оснащенной тепловым насосом. Рассмотрены возможности аккумулирования теплоты от СВНУ с помощью тепловых насосов и грунте. Предложено применить комплексное системное решение при конструировании солнечно-теплонасосной установки за счет оптимизации параметров ее компонентов. Определено влияние типа коллектора, наклон и ориентация коллектора относительно солнца на эффективность работы СВНУ.
Ключевые слова: солнечная энергия, генерация теплоты, солнечный коллектор, тепловой насос.
Количество вырабатываемой солнечной водонагревательной установкой полезной энергии зависит от целого ряда факторов, это относится ко всем регионам, включая Приморский край. К существенным факторам влияния относится общее количество располагаемой солнечной энергии, зависящее от продолжительности солнечного сияния. Если во Владивостоке среднегодовое количество располагаемой солнечной энергии составляет 1242 кВт- ч/год, то в районе Сад-Город она равна 1373 кВт- ч/год, а на севере края в районе Агзу — 1182 кВт- ч/год. Для многих объектов, расположенных на территории России, годовое поступление солнечной энергии, как правило, превышает или, по крайней мере, сопоставимо с энергетическими потребностями рассматриваемого объекта [1]. По поступлению солнечной энергии Приморский край занимает одно из первых мест в России [2]. Солнечные водонагревательные установки имеют небольшой срок окупаемости (до 7 лет). Общее их количество в мире превышает 180 млн м2 [3].
Основным элементом солнечной водонагревательной установки является солнечный коллектор. Одним из главных условий эффективного использования солнечной энергии в систе-
мах теплоснабжения является правильность выбора схемы солнечной водонагревательной установки (СВНУ). Существенную роль играют также тип, наклон и ориентация коллектора относительно Солнца. Также экономичная эксплуатация солнечной установки требует тщательного выбора схемы и параметров ее компонентов.
В имеющихся технических разработках в области СВНУ основное внимание уделяется повышению эффективности работы солнечных коллекторов, и в меньшей мере аккумуляторов теплоты. Для практического потребления более важной задачей является получение тепловой энергии необходимого потенциала с равномерной генерацией не только для покрытия нагрузки на ГВС, но и решения проблемы солнечного теплоснабжения и кондиционирования [4].
Объект и методика исследования. Схема рассматриваемой установки показана на рис. 1. Для того, чтобы использовать солнечную энергию во всех четырех сезонах для теплоснабжения и охлаждения здания, применены реверсивные тепловые насосы. Схема установки включает вакуумные солнечные коллекторы, подключенные к системе горячего водоснабжения здания и два отдельных узла СВНУ — А и B. В состав оборудования узла А СВНУ входят два циркуляционных насосов Р1 и Р2, поле грунтовых теплообменников, разделенных на две зоны SH1 и SH2, тепловой насос Н1, соленоид вентилятора F1, трубопроводы и т.д. Устройство B включает циркуляционные насосы Р3 и Р4, грунтовые теплообменники SH3 и SH4, тепловой насос Н2, соленоид вентилятора F2, трубопроводы и т.д. В схеме имеется водяной бак с расположенным внутри тепловым аккумулятором фазового перехода, что позволяет накопить больше солнечной энергии. Калиброванный расходомер и калиброванный счетчик электроэнергии установлены в обоих узлах СВНУ.
Температура контролируется в заданных точках тепловой схемы установки - на входе и выходе наиболее важных узлов. Площадь подключенных к установке солнечных коллекторов равна 10 м2, группа U-образных теплообменника в скважин-ном поле имеют глубину закладки от 50 до 60 м. Число колодцев наблюдения за параметрами в скважинном поле — 4, их глубина - 20 м.
Рис. 1. Принципиальная схема исследуемой установки
Грунтовые теплообменники и-образного типа изготовлены из полипропиленовых труб диаметром 25 мм. В каждой скважине для проверки и наблюдения были установлены 5 термопар для контроля температуры грунта в заданных точках на различной глубине. Термопары подключались к измерительному прибору высокой точности (± 0,1 С).
Для районов с холодным климатом сезонные изменения поступающей солнечной радиации являются очень большими. Для районов РФ, расположенных на широте 45° Приморского края, полная интенсивность падающей солнечной радиации равна 29,82 МДж/м2-день в летний период, в то время как зимой самый низкий уровень равен 5,05 МДж/м2-день. Плотность солнечной радиации на горизонтальную плоскость составляет 5000 МДж/м2 в среднем за один год, и только 160,2 МДж/м2 в январе. Если солнечный коллектор отслеживает перемещение солнца по горизонту, плотность солнечной радиации на коллекторной поверхности в январе равна 320 МДж/м2 и средний тепловой кпд солнечного коллектора по результатам испытаний не превы-
шает п =0,37. В этом случае средняя солнечная радиация полученная солнечным коллектором, может быть рассчитана по формуле (1) и составит 45,7 Вт/м2.
а =_П<__(1)
Чё (30 • 24 • 3600)
Если учитывать только полезно использованное солнечное тепло, снятое с 1 кв. м солнечного коллектора, то по тепловому эквиваленту эта площадь соответствует 136 - согласно формуле (2), где =33,7 Вт/м2
51 = ^. (2)
Таким образом, удельная величина солнечной радиации (солнечного тепла), падающей на плоский абсорбер коллектора в рассматриваемом районе равна Оь = 6630 МДж/м2 в год. Средний тепловой кпд солнечной водонагревательной установки составляет ц2 =0,65. Если поверхность нагрева абсорбера Б2 принять равной 1 м2, то площадь солнечного коллектора, рассчитанная по формуле (3), равна 12,9 м2.
ОП2
а
52 =^2. (3)
Результаты исследований
Результаты испытаний и мониторинга показателей работы одного из вакуумных солнечных коллекторов представлены на рис. 2.
' АТ >
^со
, представленное на
Значения характеристики Э = /
ч ^СОЛН У
рис. 2 показывает, какое количество тепловой энергии выработано коллектором за день в реальных условиях поступлении солнечной радиации в плоскость коллектора, где АТ=ТКср - Тв, ТКср - средняя температура теплоносителя в коллекторе, Тв -температура окружающего воздуха, <солн - интенсивность солнечной радиации.
0,9 ■
0,8 ■
0,7 -
0,6 -
н
о £ 0,5
кт
0,4
4+
++
0,3
0,2
0,1
0
♦
♦ ♦
* ♦ ♦ . ♦
♦ V* ♦ ♦
♦ ♦
♦ ♦ ♦
• ♦ N.
♦ \
♦
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
К=(Ткол-Твоз)/0, град. С*кв.м/Вт
Рис. 2. Значения характеристики — эффективность солнечного коллектора
Вычисленные значения КПД и коэффициентов потерь представлены в табл. 1.
Таблица 1
Показатели эффективности коллектора
Оптический КПД Коэффициент потерь
п к1, Вт/°С/м2 к2, (Вт/°С/м2)2
0.875 1.838 0.929
Таким образом, если только солнечная энергия используется для отопления в зимний период, то необходимая площадь солнечных коллекторов должна быть очень большой. Первоначальные капитальные вложения настолько велики, что срок окупаемости СВНУ превышает расчетный период эксплуатации установки.
Если угол между солнечным коллектором и горизонтальной плоскостью регулируется каждые 2 месяца, кпд коллектора значительно возрастает. Это позволяет увеличить теплосъем и кпд системы.
Выводы
1. Эффективность генерации теплоты в схеме солнечно-теплонасосной установки может быть повышена за счет применения многоконтурной схемы, наличия дублера источника тепловой энергии, использования аккумуляторов теплоты.
2. В качестве низкотемпературного источника может быть принята теплота грунта, используемая в схеме с тепловым насосом.
3. Применение комплексных решений позволяет повысить уровень генерации теплоты в схеме солнечно-теплонасосной установки, и использовать ее для не только для ГВС, но и отопления зданий.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Слесаренко В.В., Угрюмова С.Д., Богданович Г.А., Слесаренко И.Б., Вагнер В. В. Применение солнечных технологий для теплоснабжения промышленных и социальных объектов Дальневосточного региона. Материалы международной конференции. Международное сотрудничество: наука, инновации и образование (Актуальные проблемы развития инновационной деятельности ВУЗа). 01-04 августа 2012 г. Владивосток, Россия Издательский дом Дальневосточного федерального университета. 2012. с.10 - 14.
2. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, части 1 -6, выпуск 26. Приморский край. Приморское территориальное управление по гидрометеорологии, 1988. 417 с.
3. В.А. Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов, И.с. Гнатюк Технологии, оборудование и материалы солнечных коллекторов // Альтернативная энергетика и экология — ISJAEE. 2010. № 11. с.54-58
4. Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Справочник. / Под ред. В.И. Висса-рионова. — М., 2004. - 448 с. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Слесаренко Илья Вячеславович — аспирант Инженерной школы Дальневосточного федерального университета, [email protected], Слесаренко Ирина Борисовна - кандидат технических наук, доцент кафедры Нефтегазового дела и нефтехимии Дальневосточного федерального университета, [email protected].
INVESTIGATION OF HEAT GENERATION CHART OF SOLAR-HEAT-PUMP SYSTEMS
Slesarenko I.V., Graduate Engineering school, [email protected], Far Eastern Federal University,
Slesarenko I.B., Candidate of Technical Sciences, associate Professor, [email protected] Eastern Federal University.
The conditions for the efficient use of solar energy in the heating systems of residential buildings. Defined methods of selecting circuit solar water installation (SVI) equipped with a heat pump. The possibility of heat storage from SVI using heat pumps and ground. Proposed to apply a total system solution in the design of solar- heat pump system by optimizing the parameters of its components. The effect of the collector type, slope and orientation relative to the sun on the collector efficiency SVI.
Key words: solar energy, heat generation, solar collector, heat pump.
REFERENCES
1. Slesarenko V.V., Ugrjumova S.D., Bogdanovich G.A., Slesarenko I.B., Vagner V.V. Primenenie solnechnyh tehnologij dlja teplosnabzhenija pro-myshlennyh i so-cial'nyh ob#ektov Dal'nevostochnogo regiona (The use of solar technologies for heat supply of industrial and social objects in the far Eastern region). Materialy mezhdu-narodnoj konferencii. Mezhdunarodnoe sotrudnichestvo: nauka, in-novacii i obra-zovanie (Aktual'nye problemy razvitija innovacionnoj deja-tel'nosti VUZa). 01-04 av-gusta 2012. Vladivostok, Rossija Izdatel'skij dom Dal'nevostochnogo federal'nogo uni-versiteta. 2012, pp.10 - 14.
2. Nauchno-prikladnoj spravochnik po klimatu SSSR. Serija 3, chasti 1 - 6, vy-pusk 26. Primorskij kraj. Primorskoe territorial'noe upravlenie po gidrometeorologii, 1988. 417 p.
3. Butuzov V .A., E.V. Brjanceva, V.V. Butuzov, I.s. Gnatjuk Tehnologii, oboru-dovanie i materialy solnechnyh kollektorov (Technologies, equipment and materials solar collectors) // Al'ternativnaja jener-getika i jekologija — ISJAEE. 2010, No 11, pp.54-58.
4. Jenergeticheskoe oborudovanie dlja ispol'zovanija netradicionnyh i vozob-novljaemyh istochnikov jenergii. Spravochnik. / Pod red. V.I. Vissarionova. Moscow, 2004, 448 c.
