Влияние погодных факторов на работу радиационной системы обогрева Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 628.81

DOI: 10.25206/2588-0373-2019-3-1-66-72

ВЛИЯНИЕ ПОГОДНЫХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ РАДИАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ОБОГРЕВА

В. И. Карагусов1, И. С. Колпаков2

'Омский государственный технический университет,

Россия, 644050, г. Омск, пр. Мира, 11 2Научно-технический комплекс «Криогенная техника», Россия, 198303, г. Санкт-Петербург, пр. Стачек, д. 105, корп. 5, лит. А, пом. 9Н

Актуальность — солнечная энергия относится к экологически чистым и возобновляемым источникам энергии. При эксплуатации радиационных систем теплоснабжения не требуются значительные затраты. Цель исследования — определение влияния погодных факторов на работу радиационной системы обогрева. Задача исследования — определить производительность радиационной системы обогрева. Проведенные экспериментальные исследования показали, что солнечный коллектор способен вырабатывать около 50...100 Вт/м2 в зимнее время и 250.400 Вт/м2 в летнее время.

Ключевые слова: солнечное излучение, радиационные системы жизнеобеспечения, обогрев помещений, возобновляемые источники энергии.

Введение

Радиационные системы жизнеобеспечения в настоящее время находят все большее распространение в малоэтажном строительстве, так как позволяют значительно экономить на отоплении и горячем водоснабжении. Для отдельно стоящих зданий и хозяйств в малонаселенной местности такие системы обогрева значительно повышают автономность объектов, рентабельность их эксплуатации и создают комфортные условия обитания [1, 2].

Солнечная энергия относится к экологически чистым и возобновляемым источникам энергии [3]. При монтаже радиационных систем теплоснабжения не требуются значительные капитальные вложения, затраты при их эксплуатации минимальны, так как не требуют оплаты за источники энергии. К преимуществам радиационных систем жизнеобеспечения следует отнести возможность их размещения на крышах, площадь которых зачастую никак не используется. Территория России расположена в средних и высоких широтах, но располагает значительными ресурсами солнечной энергии для возможности эффективного ее использования [4]. По количеству ясных дней в году город Омск входит в тройку лидеров по Российской Федерации. В Омске средняя продолжительность ясной солнечной погоды более 2200 часов [5].

Радиационные системы обогрева могут использоваться как в сельских, так и в городских условиях, ограничением в их размещении может быть только тень от высотных зданий. Некоторые схемы радиационных систем жизнеобеспечения приведены в [6, 7].

Солнечное излучение, падающее на приемную панель солнечного коллектора, нагревает воду, находящуюся в каналах. При нагревании воды ее плотность уменьшается, и нагретая жидкость начинает перемещаться из солнечного коллектора

в бак теплового аккумулятора. В баке теплая вода перемещается в верхнюю часть, а нижняя холодная вода поступает в коллектор. Таким образом, поддерживается постоянная циркуляция воды с постоянным ростом ее температуры, т. е. происходит аккумулирование теплоты.

Система радиационного обогрева может состоять и из двух контуров. Первый контур, проходящий через солнечный коллектор, аналогичен с одноконтурной системой, но с появлением змеевика в баке аккумулятора теплоты появляется возможность применения жидкостей, не замерзающих при низких температурах [8, 9]. Вода в баке производит отбор теплоты от змеевика. Данную систему можно оснастить циркуляционным насосом.

В дневное время радиационные панели от солнечного излучателя нагревают теплоноситель, который, в свою очередь, нагревает тепловой аккумулятор и систему обогрева помещений [10]. В ночное время, когда радиационные панели холодные, система питается от теплового аккумулятора. В зимних условиях такое решение позволяет значительно сэкономить на топливе, а в ряде случаев полностью перейти на солнечное теплоснабжение.

На работу радиационных панелей влияет целый ряд природных факторов [11 — 13], таких как облачность, температура и влажность атмосферного воздуха, осадки, туман, время года и суток, углы положения Солнца и установочные углы солнечных панелей.

Объект исследования

Объектом исследований является влияние погодных факторов на производительность радиационной системы жизнеобеспечения.

Для определения степени влияния погоды необходимо знать данные о погодных условиях с ближайших метеостанций к месту проведения

I ■

л

Рис. 1. Карта с отметкой места проведения эксперимента и ближайших метеостанций Fig. 1. Map with a mark of the location of the experiment and the nearest weather stations

о

IS 1> N1

OS О О E н T x >0 z А

■ К > о

ia

i о

о

< К

O О

эксперимента. На рис. 1 показано место проведения эксперимента и ближайших метеостанций:

1 — метеостанция 2-го разряда (М-2) «Чер-лак». Метеостанция находится в 40 км юго-восточнее места проведения эксперимента;

2 — метеостанция 2-го разряда (М-2) «Одесское». Метеостанция находится в 95 км юго-западнее места проведения эксперимента;

3 — объединённая гидрометеорологическая станция Омск (ОГМС Омск). Метеостанция находится в 95 км северо-западнее места проведения эксперимента;

4 — метеостанция 2-го разряда (М-2) «Та-тарск». Метеостанция находится в 139 км северо-восточнее места проведения эксперимента.

В Омске большую часть года, с сентября по апрель, преобладает ветер юго-западного направления, его повторяемость составляет 25...32 % за месяц. Летом преобладающим является северозападный ветер (20.23 % за месяц), несколько меньше северный (16.19 %) и западный (15 %). На направление северо-восток — юго-восток приходится 10.14 %, на остальных направлениях повторяемость ветра составляет менее 10 %. Средняя скорость ветра имеет хорошо выраженный годовой ход. Наибольшие средние месячные скорости наблюдаются зимой, весной и осенью (4.5 м/с). Самыми ветреными бывают зимние и весенние месяцы, особенно май. Летом скорости ветра наименьшие в году. Слабые скорости ветра (4 м/с и менее) преобладают в летнее время.

Следовательно, в зависимости от направления ветра с большей точностью можно будет отследить зависимость полученных результатов от погодных условий, используя данные всех метеостанций вокруг места проведения экспериментов с определенной задержкой.

Из-за сильного влияния на атмосферу вносимое городом Омском и большое расстояние от метеостанции в Татарске будем использовать

данные с положительной или отрицательной задержкой:

— с метеостанции 2-го разряда (М-2) «Одесское» при условии, что ветер будет юго-западный или северо-восточный;

— с метеостанции 2-го разряда (М-2) «Чер-лак» при условии, что ветер будет юго-восточный или северо-западный;

Использовать данные с метеостанции «Чер-лак» предпочтительнее в связи с меньшим расстоянием и нахождением аналогично месту проведения эксперимента в пойме реки Иртыш [14].

Методы исследования

Для определения энергетических характеристик систем солнечного радиационного теплоснабжения и определения влияния природных факторов на ее работу был разработан экспериментальный стенд [2]. С целью уменьшения влияния загрязнений атмосферы экспериментальные исследования проводились на удалении от крупных городов более 100 км (рис. 1).

Дальнейшие экспериментальные исследования проводились в теплое время года. По геометрическим и теплофизическим характеристикам радиационной панели площадью 0,02 м2 были рассчитаны инсоляция, потери в панели и полезное количество теплоты в светлое время суток для зимних и летних дней. На этих же рисунках приведены температуры элементов солнечного коллектора и окружающей среды, а также облачности. Температуры записывались четы-рехканальным логгером 88 598, с разрешающей способностью по температуре 0,1 °С, давление и влажность наружного воздуха измерялись локальной метеостанцией и брались из архивов погоды близлежащих метеостанций. Общая и нижняя облачность также бралась из архивов погоды. В ряде случаев природные факторы фик-

100.00 ¡2 75.00 и □ f 50.00 со S 25.00 0.00

1 1 1 1

1 1 t

1 1 1 1 1

1 1 л 0 1 * 0 1

0.00 -5.00 U га -10,00 О. >. н ™ -15.00 0) С S! 20.00 (5! -25.00 1 | Температура трубы 1

> с остеклением __.——\ 1

1 —" 1 1

I " 7 " - - _

1 1 окружающей среды 1

350.00 300.00 л 5 250.00 с; £ 200.00 н S m 150.00 S Щ 100,00 7 1 50.00 О ас г.™ В | Инсоляция без учета ^ 1 3

" ■ влияния облачности н Полезная теплота i а

X | т / ' а

| >— Потери 1 т

\

j / - ^ X |

7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

Время действительное, ч

Рис. 2. Результаты моделирования 2 января 2018 г. Fig. 2. Simulation results January 2, 2018

100.00 С 75 00 О X 5 50.00 £ IO о 25.00 0.00

1 1 1 i

1 1 t

1 1 1 1 |

1 1 __1_:___ _ 1 ----в----е-

0-00 -5.00 у пГ ш-00 а ™ -15.00 01 с: | -20-00 1 1 1 Температура ,

' Температура трубы окружающеи среды .

!

; ____

■

350-00 _ 300.00 л 5 2 50.00 g 200.00 0 ¿150.00 § 100.00 X 1 50.00 О В | Инсоляция без учета ^ Полезная теплота | 3

0 | влияния облачности и / 1 а

X 1 т / /-Потери ' а

" 1

ЧГч, \ I

Zl W 1

7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

Время действительное, ч

Рис. 3. Результаты моделирования 3 января 2018 г. Fig. 3. Simulation results January 3, 2018

О -о CQ ,.

О с

£1

сировалась по визуальным наблюдениям в реальном масштабе времени в месте проведения экспериментов.

Результаты и обсуждение

На рис. 2 — 5 представлены графики результатов моделирования термодинамических процессов, происходящих в системе радиационного

жизнеобеспечения с отметками облачности в соответствии с полученными данными от метеостанций.

Как видно из рисунков, система радиационного теплоснабжения вырабатывает тепловую мощность, достаточную для теплоснабжения даже при 100 % облачности.

При ясной погоде максимальные температуры солнечного коллектора наблюдались вскоре

100.00 £ 75.00 и о ? 50.00 10 § 25.00 0.00

г Нижняя облачность ^ Верхняя облачность '

^ 1

S0.00 70.00 U 60.00 50.00 >- п Ю.ОО а. с 30.00 Е ¡2 20.00 10.00 1

\ Температура

\ / окружающей среды

/V !

/ ✓ _ ^ ^-_

------- ----

1000.00 £ 750.00 о 5 с S 500.00 ° А ш ш G 0» 250.00 У S к £ 0.00 0: в о Инсоляция без учета /-Полезная теплота | 5 --—/ 1 3

х 0 / /-Потери

д

у* **

50 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00

Время действительное, ч

Рис. 4. Результаты моделирования 6 июля 2018 г. Fig. 4. Simulation results July 6, 2018

О

IS 1> N1

OS О О E н T x >0 z А

■ К > О

ia

i о

О

< К

O О

Рис. 5. Результаты моделирования 7 июля 2018 г. Fig. 5. Simulation results July 7, 2018

после астрономического полудня, что достаточно хорошо коррелируется с температурой окружающей среды. Это явление вызвано инерционностью нагрева атмосферы.

Следует отметить, что архив погоды дает среднюю облачность на достаточно большую площадь поверхности Земли и не учитывает отдельные облака, которые влияют на облучение панели. Колебания температур на рисунках вы-

званы затемнением солнечной панели отдельными облаками.

Влияние отдельных облаков затрудняет численный анализ влияния облачности, полученной из архивов погоды, на работу радиационной системы обогрева. Для учета влияния отдельных облаков необходимо экспериментально фиксировать инсоляцию в точке нахождения экспериментального стенда в режиме реального време-

ни, что позволит определить производительность системы солнечного обогрева, как в каждый момент времени, так и интегрально.

Тем не менее архивные данные облачности позволяют оценить ее влияние на производительность системы солнечного обогрева. Изменение облачности на 15...25 % приводит к примерно такому же изменению производительности, но с противоположным знаком.

Выводы

Проведенные эксперименты исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Система радиационного теплоснабжения способна вырабатывать тепловую мощность, достаточную для теплоснабжения даже при 100 % облачности.

2. Изменение облачности на 15.25 % приводит к примерно такому же изменению производительности радиационной системы теплоснабжения, но с противоположным знаком.

3. Солнечный коллектор способен вырабатывать около 50.100 Вт/м2 в зимнее время и 250.400 Вт/м2 в летнее время. При жилой площади небольшого сельского дома 60 м2 площадь южного ската крыши составляет 50.70 м2, что позволяет получить 2,5.7 кВт мощности для обогрева помещений. При традиционной теплоизоляции такой мощности достаточно для отопления в несильные (до —20°С) морозы, при более сильных морозах необходимо дополнительное электрическое, печное или котельное отопление.

4. Использование современных строительных теплоизоляционных материалов позволяет поддерживать комфортную температуру в жилых помещениях при мощности обогрева 2.5 кВт для 60 м2 отапливаемой площади.

Список источников

1. Авезов Р. Р., Барский-Зорин М. А., Васильева И. М. [и др.]. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения. М.: Стройиздат, 1990. 324 с. ISBN 5-274-00605-1.

2. Karagusov V. I., Goshlya R. Yu., Serdyuk V. S. [et al.]. Experimental stand for investigation of the radiation life-support systems: First experiments // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 2007, Issue 1. DOI: 10.1063/1.5051875.

3. Вялов М. И., Касанджан Б. И. Системы солнечного теплоснабжения. М.: МЭИ, 1991. 137 с. ISBN 5-7046-0020-4.

4. Бутузов Б. А. Солнечное теплоснабжение в России: состояние дел и региональные особенности // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2009. № 7 (75). С. 48-51.

5. Климат Омска / под ред. Ц. А. Швер. Л.: Гидроме-теоиздат, 1980. 246 с.

6. Меляков И. Н., Пантелеев В. П. Введение в солнечные установки. Бишкек: Алтын Принт, 2012. 56 с.

7. Муравлева Е. А. Оценка использования энергии солнечного излучения на территории России // Вестник аграрной науки Дона. 2015. Т. 1, № 29. С. 38-45.

8. Qingyuan Z., Yu L. Potentials of Passive Cooling for Passive Design of Residential Buildings in China // Energy Procedia. 2014. Vol. 57. P. 1726-1732. DOI: 10.1016/j. egypro.2014.10.161.

9. Goforth M. A., Gilchrist G. W., Sirianni J. D. Cloud effects on thermal down welling sky radiance // Proc. SPIE 4710, Thermosense XXIV, Mar. 15, 2002. Orlando, 2002. P. 203-213. DOI: 10.1117/12.459570.

10. Karagusov V. I., Serdyuk V. S., Kolpakov I. S. [et al.]. Experimental determination of rate and direction of heat flow of the radiation life-support system with vacuum heat insulation // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 2007, Issue 1. DOI: 10.1063/1.5051876.

11. Карагусов В. И., Колпаков И. С., Немыкин В. А., Погуляев И. Н. Экспериментальное исследование радиационной системы жизнеобеспечения с вакуумной и воздушной теплоизоляцией // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т. 2, № 1. С. 26-32. DOI: 10.25206/2588-0373-2018-21-26-32.

12. Карагусов В. И., Колпаков И. С. Влияние облачности и температуры воздуха на производительность радиационной системы обогрева // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства: материалы 9-й Междунар. науч.-техн. конф., 26-28 фев. 2019 г. / ОмГТУ. Омск, 2019. С. 140-141.

13. Лаповок Е. В., Ханков С. И. Влияние пропускания атмосферой теплового излучения земной поверхности на климат Земли // Вестник Международной академии холода. 2017. № 1. С. 62-65. DOI: 10.21047/1606-4313-201716-1-62-65.

14. Погода и климат. URL: www.pogodaiklimat.ru (дата обращения: 07.02.2019).

КАРАГУСОВ Владимир Иванович, доктор технических наук, старший научный сотрудник (Россия), профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология» Омского государственного технического университета. БРНЧ-код: 7624-3122 АиШотГО (РИНЦ): 176942 ОЯСГО: 0000-0002-7268-649Х Адрес для переписки: [email protected] КОЛПАКОВ Иван Сергеевич, инженер 2-й категории НТК «Криогенная техника», г. Санкт-Петербург.

Адрес для переписки: [email protected]

Для цитирования

Карагусов В. И., Колпаков И. С. Влияние погодных факторов на работу радиационной системы обогрева // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2019. Т. 3, № 1. С. 66-72. БОН 10.25206/25880373-2019-3-1-66-72.

Статья поступила в редакцию 13.03.2019 г. © В. И. Карагусов, И. С. Колпаков