Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І. Современное состояние солнечного теплоснабжения теплиц защищенного грунта
1.1.Технологии отопления солнечных теплиц 14
1.1.1 .Пассивные солнечные системы для отопления теплиц 18
1.1.2.Солнечные теплицы с тепловыми аккумуляторами с подземными системами отопления и охлаждения
1.1.3 . Влияние параметров теплоаккумулирующей массы на аккумулирование солнечной энергии 25
1.2. Характеристики и свойства теплоаккумулирующих материалов 27
1.2.1.Состав и адсорбционные свойства пористых материалов Забайкалья... 29
Выводы по главе 1 32
ГЛАВА 2. Теоретические основы создания энергоэффективных солнечных теплиц
2.1. Обоснование выбора формы теплицы.
2.1.1 Расчет оптимального угла установки светопрозрачного покрытия 33
2.1.2. Расчет прихода солнечной радиации на наклонную поверхность и оптимального угла установки светопрозрачного покрытия теплицы 36
2.2.Моделирование энергоэффективной солнечной теплицы
2.2.1. Методика оптимизации геометрических параметров теплицы 38
2.2.2 Расчет энергетического баланса солнечной теплицы 43
2.2.2.1. Расчет суммарного аккумулируемого тепла 44
2.2.3. Расчет поглощенной солнечной радиации 44
2. 3. Расчет пассивных солнечных систем 47
2.3.1. Пассивные закрытые системы солнечного отопления
2.3.2. Определение теплотехнических параметров солнечной теплицы
2.3.2.1 .Уравнение теплового баланса для закрытой пассивной системы 50
2.3.2.2.Определение температуры внутренних поверхностей ограждающих конструкций и температуры воздуха внутри теплицы 52
2.3.2.3. Определение теплопроизводительности теплоприемника 55
2.3.3 .Гидравлический и теплотехнический расчет характеристик аккумуляторов теплоты с насадками галька и цеолиты
2.3.3.1. Расчет потерь давления и гидравлического сопротивления 61
2.3.3.2. Расчет потребной мощности вентилятора на валу 61
2.3.3.3. Расчет аккумулируемого тепла в насадке 62
2.3.3.4. Методика расчета энергоэффективности тепловых аккумуляторов с различными теплоаккумулирующими насадками 68
Выводы по главе II 73
ГЛАВА III. Экспериментальные исследования и разработка гелиотехнического оборудования Цель и задачи экспериментов по испытанию оборудования ССТ 74
3.1.1 .Разработка солнечных коллекторов с теплоносителем «вода- воздух» : 74
3.2.Методика испытаний гелиотехнического оборудования
3.2.1 Методика тепловых испытаний солнечного коллектора в режиме водонагревателя 79
3.2.2.Методика тепловых испытаний солнечного коллектора в режиме воздухонагревателя 85
3.2.2.1 Методика определения аэродинамического сопротивления и потерь давления АР солнечного коллектора в режиме воздухонагревателя 87
3.3. Методика определения характеристик теплоаккумулирующих насадок (ТАН) теплового аккумулятора 91
3.3.1. Определение аэродинамических характеристик теплоаккумулирующего материала и коэффициента формы зерна 93
3.4. Методика определения эффективности теплового экрана солнечной теплицы 103
Выводы по главе III 108
ГЛАВА IV. Технико -экономическая оценка энергоэффективности пассивных и активных солнечных систем для разработки проекта солнечной теплицы
4.1. Расчет нагрузки теплоснабжения теплицы 109
4.1.1. Расчет нагрузки отопления 109
4.1.2. Расчет солнечной системы ГВС для полива растений 111
4.2. Разработка проекта энергоэффективной солнечной теплицы 113
4.2.1. Технико- экономические показатели энергоэффективной солнечной теплицы 113
Выводы по IV главе 118
Заключение 121
Литература 123
Приложения 132
- Влияние параметров теплоаккумулирующей массы на аккумулирование солнечной энергии
- Методика оптимизации геометрических параметров теплицы
- Определение аэродинамических характеристик теплоаккумулирующего материала и коэффициента формы зерна
- Технико- экономические показатели энергоэффективной солнечной теплицы
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время в России себестоимость овощей, выращенных в теплицах, существенно выше, чем в странах, имеющих высокий уровень сельскохозяйственного производства. Спрос на свежую овощную продукцию отечественный производитель удовлетворяет на 30%, остальное – импорт. Развитию тепличного овощеводства препятствует недостаток и функционирование морально и физически устаревших теплиц, а высокая себестоимость производства внесезонных овощей связана, в первую очередь, с высокими затратами на энергоносители. Сейчас удельный вес энергозатрат в структуре себестоимости овощной продукции закрытого грунта составляет до 70%. Это связано с неэффективным использованием электрической и тепловой энергии в теплицах, отсутствием солнечных теплиц как таковых и моделей, реализующих оптимизацию энергетических процессов в ней.
Мировой опыт развития тепличного производства указывают на практически повсеместный переход к способам выращивания растений в закрытом грунте, использованию новых конструкций, материалов и энергосберегающих технологий на базе солнечной энергии. Так, например, в Северном Китае сосредоточено более 263 тыс. га солнечных теплиц, где выращиваются 90 % зимних овощей.
Цель диссертационной работы - разработка энергоэффективной солнечной теплицы для выращивания экологически чистых овощей и снижения потребления органического топлива.
Объектом исследования являются технологические процессы: теплоснабжение теплиц и свойства теплоаккумулирующих материалов.
Предмет исследования – закономерности, связывающие параметры систем солнечного теплоснабжения теплиц с показателями энергетической, экологической и экономической эффективности.
Для достижения поставленной в работе цели исследования сформулированы следующие задачи:
1. Провести анализ современного состояния использования солнечной энергии для отопления теплиц в условиях климата северных широт.
2.Разработать математическую модель солнечной теплицы.
3.Разработать опытные образцы солнечных коллекторов с теплоносителем воздуха и тепловых аккумуляторов с насадками галька и цеолиты, а также экспериментальные установки для снятия их теплотехнических характеристик.
4.Разработать методики экспериментальных исследований и определения теплотехнических и энергетических характеристик опытных образцов гелиотехнического оборудования.
5.Провести технико-экономическую оценку эффективности основных результатов исследований.
Методы исследований. Методы теории вероятностей и математической статистики, теория активного планирования эксперимента, системный анализ и имитационное моделирование.
Научную новизну исследований представляют:
метод расчета энергоэффективной солнечной теплицы, заключающийся в оптимально сконструированной форме конструкции всех элементов теплицы;
теоретические исследования теплоаккумулирующих пористых насадок, позволяющие определить наиболее оптимальный режим аккумуляции тепла в насадках при заданных значениях массового расхода воздуха G и скорости V для различных сочетаний параметров слоя;
уравнение, учитывающее влияние семи переменных на количество аккумулируемого тепла;
экспериментальные исследования солнечных коллекторов, тепловых аккумуляторов с различными теплоаккумулирующими насадками.
Практическую значимость работы представляют:
методика расчета эффективности функционирования солнечных теплиц с пассивными солнечными системами;
методика расчёта энергоэффективности тепловых аккумуляторов (ТА) с различными параметрами насадки, геометрией слоя, скоростями движения теплоносителя и удельной теплоёмкостью;
гибридные солнечные коллекторы с теплоносителем «вода-воздух», тепловые аккумуляторы с ТАН галька и цеолиты.
Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертационной работы докладывались на международных и российских научных конференциях: всероссийском энергетическом форуме «ТЭК России в 21веке. Актуальные вопросы и стратегические ориентиры» (Москва, 2002 ); международной научно-технической конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва,1998); международных научных конференциях «Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона» (Улан-Удэ, 2001,2003, 2008); международном симпозиуме «Экологические и инженерно-экономические аспекты жизнеобеспечения» (Ганновер 2008, 2010 ); VI международной конференции «Возобновляемая и малая энергетика -2009» (Москва, 2009).
На защиту выносятся следующие положения:
1.Метод оптимизации формы конструкции теплицы, обеспечивающей максимальный приход солнечной радиации в теплицу в отопительный период.
2.Результаты теплопроизводительности теплицы с пассивными солнечными системами для отопления и солнечным коллектором для ГВС.
3.Результаты энергоэффективности тепловых аккумуляторов теплоаккумулирующей пористой насадкой и ночным тепловым экраном светопрозрачного покрытия.
4.Метод расчета и проектирования энергоэффективной солнечной теплицы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе 4 работы – в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы из 98 источников. Работа изложена на 170 страницах текста, содержит 64 иллюстрации, 45 таблиц.
Влияние параметров теплоаккумулирующей массы на аккумулирование солнечной энергии
Обычная теплица при большой поверхности застекленного ограждения плохо аккумулирует солнечную энергию, прежде всего из-за неудовлетворительных характеристик ее теплоизоляции и герметизации. Для поддержания температуры, необходима энергия на отопление. Например, обычная оранжерея или теплица, функционирующая круглый год, расходует примерно в 10 раз больше энергии, чем небольшой индивидуальный дом.
При размещении теплоаккумулирующей массы в теплице разность между дневной и ночной температурами воздуха значительно уменьшается В теплице, имеющей такую массу, время достижения максимальной температуры смещается на 2-3 ч.
В Швеции в Высшем техническом училище Чалмерса были исследованы различные системы, в которых солнечная энергия, накопленная в теплице, использовалась для отопления квартиры. При этом обеспечивается интенсивный переход тепла разогретого воздуха в материал железобетонных плит, в результате чего повышается температура воздуха в квартире [65].
Более экономичное решение заключается в использовании в качестве теплоаккумуляторов таких материалов, которые одновременно служат строительным материалом конструкций пола или стены.
Передача теплоты камням все же не очень эффективна. Опыт, полученный в Финляндии и Швеции, показал, что только одна треть или половина камней (из всего числа взятых) участвует в аккумулировании теплоты. По сравнению с бетонными плитами, имеющими конструктивные полости и обеспечивающими участие 80—90 % массы плит в аккумулировании теплоты, каменный ТА относительно менее эффективен. Для эффективной передачи теплоты в кирпичную или блочно-бетонную стену с конструктивными полостями надо использовать вентилятор. В пустотелых бетонных плитах, например на длине 6 м, массе бетона может передаваться в зависимости от скорости подачи теплого воздуха примерно половина теплоты. Бетон почти целиком участвует в процессе аккумулирования теплоты, благодаря относительно небольшой толщине плиты и густой сети пустот. Из пустотелых плит можно сооружать стену между теплицей и квартирой или пол теплицы непосредственно на теплоизолирующей поверхности, а также в квартире, где используются, например, плиты, уже имеющие теплоизоляцию с нижней стороны. Кроме того, промежуточное и верхнее основания пола в каменных зданиях также можно выполнить из пустотелых бетонных плит. Одно из таких конструктивных решений реализовано в университете Шеффилда (Англия) для экспериментального дома SHED (Solar Heated Experimental Dwelling) В этом доме имеется теплица, занимающая всю южную стену дома. Как только температура воздуха в теплице поднимается выше, чем это требуется для роста растений, воздух оттуда с помощью вентиляторов передается в ТА[65]. На основании испытаний были, получены следующие результаты: система эффективна, если она оборудована венти-ляторами итеплоаккумуляторами. 1.2.Характеристики и свойства теплоаккумулирующих материалов Необходимость аккумулирования теплоты в гелиосистемах обусловлена несоответствием во времени и по количественным показателям поступления солнечной радиации и теплопотребления. Поток солнечной энергии изменяется- в течение суток от нуля в ночное время цо максимального значения в солнечный полдень. Поскольку тепловая нагрузка отопления максимальна в декабре — январе, а поступление солнечной энергии в этот период минимально, для обеспечения теплопотребления (Q) необходимо улавливать солнечной энергии больше, чем требуется в данный момент, а ее избыток накапливать в аккумуляторе теплоты. Запас энергии в аккумуляторе может быть рассчитан на несколько часов или суток при краткосрочном аккумулировании и на несколько месяцев - при сезонном аккумулировании. Следует отметить, что применение сезонных аккумуляторов пока экономически нецелесообразно [85]. В целом же применение ТА повышает эффективность гелиосистемы. Низкотемпературные системы аккумулирования теплоты охватывают диапазон температур от 30 до 100С и используются в системах воздушного (30С) и водяного (30 - 90С) отопления и ГВС (45 - 60?С). Система аккумулирования теплоты, как правило, содержит резервуар, ТАМ, с помощью которого осуществляется накопление и хранение тепловой энергии, теплообменные устройства для подвода и отвода теплоты, при. зарядке и разрядке ТА и тепловую изоляцию. Аккумуляторы можно классифицировать»по характеру физико-химичес- ких процессов; протекающих в ТАМ: ТА емкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого (охлаждаемого) аккумулирующего материала? без изменения его агрегатного состояния (природный камень,; галька;, вода, водные растворы солей) ТА фазового перехода вещества; в которых используется теплота плавления (затвердевания) вещества; - ТА энергии, основанные на выделении и; поглошёнии теплоты-при обратимых химических и фотохимических реакциях.. В ТА первой группы происходят последовательно или: одновременно процессы.нагревания?и охлаждения. теплоаккумулирующего; материала--.либо непосредственно засчет солнечнойэнергии, лиібо через теплообменник. Этот способ аккумулирования?тепловой энергии; наиболее, широко распространен. Основным их- недостатком является; их большая масса: и как следствие этого — потребность в больших, площадях и строительных; объемах в расчете, на 1 ЕДж аккумулируемойїтеплотьі. Система аккумулирования! тепловой энергии характеризуется следующими параметрами:, теплоаккумулирующей способностью или удельной: энергоемкостью, ЕДж/м.;: диапазоном рабочих температур, К; скоростью подвода; и отвода теплоты при зарядке и разрядке аккумуляторов, кДж/с. Для воздушных гелиосистем в качестве ТАМ-используют гальку, гравий; Однако галечный аккумулятор при одинаковой энергоемкости по сравнению с водяным аккумулятором имеет в 3 раза больший; объем и занимает в 1,6 раза большую площадь. Плотность аккумулирования теплоты- в значительной степени зависит от метода аккумулирования; и рода вещества; Она может быть аккумулирована в химически связанном виде: в ТОПЛИЕЄ. При этом плотность аккумулирования соответствует теплоте сгорания: нефть,- 11,3, уголь — 8,1, водород - 33,6 и древесина - 4,2" кВт-ч/кг. При термохимическом аккумулировании теплоты в цеолите (процессы адсорбции - десорбции) может аккумулироваться 286 Вт-ч/кг теплоты при разности температур 55К. Плотность аккумулирования теплоты в твердых материалах (скальная порода, галька, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60К составляет 14 - 17 Вт ч/кг, в воде - 70 Вт ч/кг. ТА емкостного типа часто применяют для аккумулирования тепловой энергии. Аккумулирование теплоты может осуществляться также в грунте, в частности, этот способ аккумулирования применяется в теплицах.
Методика оптимизации геометрических параметров теплицы
При определении насыпной плотности, объемной массы и механической прочности материалов были использованы общепринятые методики [9]. Результаты определения механической прочности цеолитов, полученные по данной методике, представлены в таблице 1.3. Условная механическая проч ность принимается как суммарные потери фильтрующей загрузки в условиях, имитирующих промывку производственного фильтра в течение года.
Из данных табл. 1.3 видно, что холинские и мухорталинские цеолиты, кварциты обладают большей межзерновой пористостью по сравнению с кварцитом, удовлетворительной механической прочностью, т.к. по истираемости и измельчаемости они соответствуют [23].
Поверхностные явления широко распространены в окружающем нас мире, представляющие собой многофазную систему. Каждая фаза имеет свои границы, отделяющие ее от соседних фаз. Поверхность раздела фаз обладает своими особенностями, обусловленные наличием некомпенсированного силового поля. Физические (плотность, электропроводность, теплопроводность и др.) и химические свойства вещества в непосредственной! близости от поверхности раздела фаз отличаются от этих свойств в объеме фаз.
Одно из важнейших особенностей является поглощать вещество из -объема фаз, концентрировать его на поверхности. Это поглощение называется адсорбцией. Очевидно, что величина адсорбции при данных условиях тем больше, чем больше поверхность раздела фаз. В случае системы газ — твердое тело адсорбция тем больше, чем больше поверхность твердого тела. Особенно эта роль велика в системе пар или газ - твердое тело. Так, при адсорбции паров воды ее концентрация увеличивается более чем в 1000 раз.
Детальное описание механизма адсорбции на пористых материалах дано в монографии Карнаухова А.П. [27]. Термодинамическое описание этого явления выражается свободной-поверхностной энергией Гиббса
Практически все адсорбционные процессы экзотермичны. Наиболее важный случай адсорбции паров происходит на поверхности твердых тел. При физической адсорбции действуют молекулярные ван-дер-ваальсовы силы. Они могут быть трех видов.Это дисперсионные силы, вызванные согласованным изменением электронной плотности сближающихся молекул, приводящие к выигрышу энергии и вызывающие конденсацию паров в жидкость. ....Величина этого выигрыша представляет собой теплоту конденсации. Тем не менее движение электронов согласуется для разных по природе атомов или молекул. В большинстве случаев теплота адсорбции несколько больше теплоты конденсации. Другой вид взаимодействия - это ориентационное, вызванное ориентацией дипольных молекул адсорбата в соответствии с расположением и знаком зарядов на поверхности адсорбента. При такой ориентации также выигрывается энергия, которая является вкладом в общий тепловой эффект адсорбции.
Третий вид называют индукционным взаимодействием, обусловленным индукцией дипольных моментов в частицах адсорбента под влиянием адсорбирующихся диполей. Все три вида взаимодействия приводят к ван-дер-ваальсовой адсорбции. Но только дисперсионное взаимодействие вносит наибольший вклад в выигрыш энергии. .Анализ результатов научно-исследовательских работ по изучению возможностей солнечных систем для отопления теплиц, показал, что немногие разработки в дальнейшем нашли практическое применение : - солнечные пруды, материалы с фазовым изменением и тепловые насосы требуют больших инвестиций, имеют высокие ежегодные эксплуатационные расходы и с сегодняшними ценами на топливо не экономичны. - солнечные системы с подпочвенным обогревом грядок, теплообменная система земля- воздух и системы с плоскими солнечными коллекторами также очень дороги и не всегда экономичны. 2. Многие исследователи за последние 20«лет сосредоточили свои усилия по улучшению эффективности пассивных солнечных систем ШСС), так как они имеют очень низкие капитальные и эксплуатационные расходы. , З.Но и ПСС , как показали исследования в условиях холодного климата ( север Канады, Китая, Тибет, Финляндия, Швеция) без тепловых аккумуляторов не дадут такого же эффекта, как в теплом и умеренном климате стран , где, в основном , ПСС широко используются для отопления домов. 4. Крупные отечественные исследования, проведенные в конце XX века, по аккумулированию энергии солнечного излучения (Ю.П Якубов, Узбекистан), по рациональным схемам совмещения функций гелиотеплиц с аккумуляторами тепла (А.Б.Вардияшвили, Грузия ) проведены в условиях теплого климата , а в последние годы ( Китай, США) хотя и в умеренном климате , но не холодного , как в условиях Сибири. 5. Проведенный анализ позволяет сделать вывод: наиболее эффективными являются пассивные солнечные теплицы с тепловыми аккумуляторами (ТА), однако недостатком их является большой объем теплоаккумулирующей массы.С целью возможности повышения эффективности ТА в работе обоснована целесообразность применения пористых материалов Забайкалья, Холинского и Мухор-Талинского месторождений.
Определение аэродинамических характеристик теплоаккумулирующего материала и коэффициента формы зерна
Поскольку метеорологические факторы изменяются в широких пределах как в течение дня и по сезонам года, так и от пункта к пункту, режимный фактор (температура теплоносителя) также изменяется в зависимости от расхода теплоносителя и внешних условий, КПД коллектора постоянно изменяется при его эксплуатации и не может являться критерием его; эффек-тивности, особенно при сравнении разных конструкций, для которых КПД определяется в разных условиях.
При испытаниях СК для возможности сопоставления их эффективности и в соответствии с выражением (3.2) результаты эксперимента обрабатываются в-виде линейной зависимости: rj = TJ0 - КТ , (3.3) где. Тт - средняя температура теплоносителя, К; Та - температура окружающего воздухаД При испытании СК получают зависимость КПД СК - rj от отношения разности температур А Т теплоносителя на входе в СК и наружного воздуха к плотности потока солнечной энергии Эр на наклонную поверхность СК. Характеристики СК изображаются прямой линией, точка ее пересечения с вертикальной осью соответствует эффективному оптическому к.п.д. п0 при угле падения солнечных лучей 0, а тангенс угла наклона прямой к горизонтальной оси - эффективному коэффициенту теплопотерь UJFR. Значения показателей теплотехнической эффективности разных конструкций приведены в таблице 3.2. Самым эффективным является вакуумированный коллектор. Для горячего водоснабжения требуется разность температур AT = 20 + 50 К и чтобы при средней и невысокой интенсивности солнечного излучения, скажем, 300-500 Вт/лГ, получить полезную энергию, требуются неселективные коллекторы с одним — двумя слоями остекления или селективный коллектор с одним остеклением.. Данные характеристики получены на российских испытательных стендах, не имеющих международной сертификации, они не учитывают результаты натурных испытаний. Российские стандарты должны быть доработаны до уровня руководящих указаний Германии DIN 4657, а также единой Европы EN 12975. Для испытания разработанных трех опытных солнечных коллекторов с теплоносителем вода воздух и вода-воздух изготовлен испытательный стенд по схеме (рис.3.3) с разомкнутым контуром для снятия теплотехнических характеристик. Собственно стенд представляет собой металлическую раму, обеспечивающую надежное крепление испытываемого коллектора, подводящих и отводящих трубопроводов, датчиков системы контрольно — измерительных приборов (КИП). Система подготовки теплоносителя включает в себя накопительные баки, теплообменник и электронагреватель для регулировки входной температуры, а также фильтры, задерживающие имеющиеся в контуре примеси. Трубопроводы контура циркуляции тщательно изолированы. В систему КИИ и А испытательного стенда входят расходомер, пиранометр М-80, гальванометр ГСА-1, анемометр APT, спиртовой термометр со шкалой 0-50С для измерения температуры наружного воздуха в тени, ртутный термометр со шкалой 0-100С. Кроме того, система КИП и А включает регистрирующую аппаратуру КСП-4 и термопарный столб, изготовленный из хромель — капелевых термопар. Перед началом проведения испытаний поглощающая панель СК тщательно промывалась водой изнутри, подводящие и отводящие штуцеры проверялась на отсутствие заусенцев, образовавшихся от нарезки резьбы, сварки и т.п., после чего коллектор подключался к испытательному стенду. Коллектор устанавливался на испытательном стенде нормально потоку излучения» и присоединялся к стенду (рис.3.3) по схеме «снизу вверх», т.е. таким образом, чтобы входной патрубок находился внизу, а выходной — сверху по Z-образной схеме, свободные патрубки заглушались. Прозрачная теплоизоляция промывалась снаружи-водой и вытиралась. Эксперимент начинался с того, что при отсутствии, потока излучения на СК (коллектор затенен) включался циркулярный насос, на вход СК подавался теплоноситель с температурой, равной температуре окружающей среды (с отклонением не выше ±5С), и устанавливался расход через испытываемый коллектор. Значение расхода устанавливалось равным 50кг/(м ч). Расход поддерживался постоянным в течение всего периода испытаний с погрешностью ±5%, температура — с погрешностью ±1 С.После установления стационарного состояния СК убирался затеняющий СК экран, включался секундомер и проводились измерения. Критерием стационарности состояния СК является неизменность температуры теплоносителя- на выходе из СК с погрешностью ±1С. В эксперименте измерялись: расход теплоносителя, плотность потока солнечной радиации, температура окружающего воздуха, скорость ветра, входная и выходная температура теплоносителя,остальные данные усреднялись за время проведения эксперимента. Результаты измерений фиксировались в протоколе испытаний в таблицах 1-П ІГ.5 и2-П П.5 ( Приложение!!. 5 стр.146). насос; 10-фильтр; 11 -бак-накопитель; 12 - теплообменник. В процессе испытаний; плотность потока солнечного излучения поддерживалась на уровне не ниже 800 Вт/м2 с погрешностью ±50 Вт/м2 и временем затенения СК не более 5; сек., температура- окружающего воздуха - в диапа- ; зоне 15-30 С с погрешностью ±1 С. При-этом задавались следующие значения: параметров: скачок радиации ъ 300 Віт; температура окружающего воздуха - -20-22С; угол наклона СК к горизонту — 50; плотность потока солнечного излучения —.. 800 Вт/м с погрешностью;;±50 Вт/м"; входная температура теплоносителя -22С; скорость ветра-от 0 до 3 м/с;/расход воды в СК G = 50 кг/м ч. В результате испытаний СК определены: 1 .«разгонная характеристика» Xt =f(t) и постоянная времени/ = хс = 5,2 мин, соответствующая X(t) = 0.632. На рисунке 3.4. приведена одна из серии «разгонных характеристик» СК-1. 2.кривая КВД77 = /(Т ), Тщ =(ТТ JIS, м2 К/Вт Среднемассовая температура теплоносителя ТТ в СК принималась равной 30, 40; 60 и 75С и испытания проводились на.уровнях 0, 30, 60 и 90%. На каждом уровне температур СК выдерживались не менее 3 постоянных времени - 15,5 мин, затем в течение 5 мин проводились измерения. Смена уровней температур проводилась сначала в порядке возрастания (до 75), выдерживалась до установившегося режима, а потом в порядке убывания.
Технико- экономические показатели энергоэффективной солнечной теплицы
Важные исследования, касающиеся использования тепловых штор в теплицах, проводимых различными исследователи [77,70,83,89,85] доказали свою эффективность во время экстремальных зимних ночей. Тепловые экраны широко используются в недорогих солнечных теплицах среднего и северного Китая с 1980г. (ФАО 1994) сохраняющие солнечную энергию для производства овощей зимой и в начале весны Хотя зимняя1 температура низка в Забайкалье,солнечного излучения достаточно.Почасовое суммарное солнечное излучение составляет в январе днем днем с пиком приблизительно 433 Вт/м в полдень. Это существенное количество солнечной энергии предоставляет ВОЗМОЖ-7 ности производителям овощей уменьшить или даже устранить дополнительное нагрев в начале весны. Количество солнечной энергии, обозначенное выше,, может быть достаточным, чтобы поддержать желательную температуру теплицы днем. Однако, проблема состоит в том, чтобы поддержать температуру теплицы после заката с небольшим или никаким дополнительным нагревом. Хотя было много сообщений об использовании солнечных теплиц в Китае, мало исследований проводилось для высоких северных широт Цель эксперимента состояла в оценке эффективности теплового экрана солнечной теплицы для зимних условий Забайкалья (52 с.ш.). Для обоснования-эффекта теплового экрана проведен эксперимент с встро-енной теплицей в жилой дом, состоящей изчдвух блоков площадью поЮм (2x5) на демонстрационном полигоне г.Улан-Удэ (Рисунок 3.19). Северная стена(Д=3.6 м С/Вт).теплицы с ПСС- это собственно южная сторона жилого дома, толщиной 35см состоит из блоков арболита с изоляцией 25см, 13-миллиметровой фанеры, волнистых покрашенных в черный цвет шиверных листов 4 см и 4мм поликарбоната (Рисунок 3.20). Торцевые стены -глухие без остекления, западная стена покрашена изнутри матовой белой краской, а восточная черной матовой. Эксперимент показал, что при остеклении в отопительный период торцевые стены теряют до 40% тепла, а количество аккумулированного полезного солнечного тепла от прошедшего солнечного излучения всего 3-5%. В качестве теплоприемника-абсорбера ПСС предпочтение было отдано волнистому черному шиферу, поскольку наши экспериментальные данные с различными теплопоглощающими поверхностями показали, что к.п.д. 105 теплоприемника с шиферной поверхностью составляет 0.5, с черной полиэтиленовой пленкой, в черный цвет покрашенной листовой стали и метали-ческой стружки - 0,27 при удельном расходе воздуха 70 м /(м -ч). На рисунке 3.21 приведены данные изменения съема солнечного тепла в течение светлого времени суток с теплоприемника стены с различными теплопоглощающими поверхностями. Как видим, наилучшие результаты получены при применении окрашенного в черный цвет шифера. Установлено также , что к.п.д. теплопоглотителя - абсорбера с окрашенной в черный цвет шиферной поверхностью под прозрачным покрытием в 2 раза выше, чем без прозрачного покрытия (0,5 и 0,23 соответственно). у.ит KB Ml Полученный высокий к.п.д. теплоприемника с черной шиферной поверхностью ( почти в 2 раза больший по сравнению черными — пленкой, металлической стружкой и листом) и больший температурный перепад в ТА с ТАН - цеолиты ещё раз подтверждает более высокие теплоаккумулирующие свойства пористых материалов, каким и является также и шифер. Контроль температурного и солнечного излучения проводился теми же приборами: пиранометр М-80, гальванометр ГСА-1, анемометр APT, 106 спиртовой термометр со шкалой 0-50С для измерения температуры наружного воздуха в тени, ртутный термометр со шкалой 0-100С. Применялась та же методика, что и для снятия теплотехнических характеристик солнечного коллектора и теплового аккумулятора Испытания в встроенной теплице проводились с февраля по апрель Внутренняя температура повышается сразу, как только теплый экран - одеяло убирается (9:00ч) и начинает уменьшаться после 16:00ч. Самая высокая температура в теплице была зарегистрирована днем между 13:00ч и 16:00ч. Теплица с экраном обеспечила 75% потребной нагрузки, а с ПСС без экрана 50%, хотя приток солнечной радиации в отопительный период в теплице ориентированной под углом 90 на 574,56 кВт-ч меныне,чем в теплице - под углом 60. Результаты исследований
На рисунке 3.21 приведены данные сравнения экспериментальных кривых хода температуры внутри теплицы с ПСС и тепловым экраном и без теплового экрана. Кривые изменения температуры воздуха внутри теплицы по результатам эксперимента подтверждают достоверность полученных уравнений (2.54,2.55, главаІІ). Процент расхождения не превысил 10 На экспериментальных кривых 2 и 4 рисунка 3.21 четко видно, что до пика повышения температуры с 9утра до 14 часов, кривые эксперимента и расчетные совпадают, когда облучается западная торцевая светлая сторона и северная с ПСС (для которой уравнения и получены), а в теплице восточная торцевая сторона покрашена в черный цвет и прирост температуры после полудня говорит о том, что температура повысилась за счот прихода солнечного тепла от поглощенного солнечного излучения зачернённой восточной стены. Полученные нами данные подтверждают результаты исследований Е. Beshada и др. технологии солнечной теплицы Китая с тепловым экраном в зимних условиях м.Манитобы (Канада,50с.ш.;97долготы).По данным Е. Beshada, на внутреннюю температуру влияет больше солнечное излучение, чем наружная температура (Рисунок. 3.22) [75].
