Введение к работе
Актуальность темы диссертации. На территории России сосредоточено 45% мировых запасов природного газа, 13% -нефти, 23% -угля , 14% -урана. Такие запасы топливно-энергетических ресурсов могут обеспечить потребности страны в тепловой и электрической энергии в течение сотен лет. Однако фактическое их использование обусловлено существенными трудностями и опасностями, не обеспечивает потребности многих регионов в энергии, связано с безвозвратными потерями топливно-энергетических ресурсов (до 50%), угрожает экологической катастрофой в местах добычи и производства топливно-энергетических ресурсов. В то же время 25 млн. человек проживают в районах автономного энергоснабжения или ненадежного централизованного энергоснабжения, занимающих более 70% территории России.
Задачи удовлетворения существующих потребностей населения и промышленности в тепловой энергии, особенно в районах, удаленных от централизованных энергетических сетей, приводят к необходимости развития возобновляемой энергетики, в том числе нетрадиционной и малой. Это также обусловлено необходимостью решения глобальных проблем обеспечения человечества энергией в будущем, связанных с ограниченностью запасов ископаемых видов топлива и требованиями обеспечения экологической безопасности.
Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности является наиболее перспективным энергоресурсом для получения тепла и холода, особенно в области невысоких температур. Природно-климатические условия России, особенно юга страны, где бывает до 300 солнечных дней в году, позволяют использовать энергию солнца для покрытия значительной доли потребностей в теплоте.
В современных проектах зданий все чаще применяются наиболее экономичные системы отопления вентиляции и кондиционирования, а также предусматривается применение систем автоматизации, которые позволяют эффективно регулировать и контролировать потребление различных энергетических ресурсов.
Однако имеющиеся методы проектирования систем теплоснабжения зданий, как правило основаны на закономерностях стационарного теплопереноса. Использование этих методов в реальных условиях иногда не обеспечивает требуемую точность расчетов. Это связно с тем, что факторы, которые определяют интенсивность теплообмена и прежде всего температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, непрерывно изменяются.
Поэтому исследование нестационарного теплообмена и гидродинамики при определения характеристик систем теплоснабжения представляют актуальную задачу для повышения энергоэффективности работы систем теплоснабжения зданий.
При расчете периодического отопления, режима регулирования подачи тепла в помещение, при определении времени натопа при пуске системы и допустимой продолжительности отключения отопления в аварийных условиях и многих других необходимо использовать закономерности переменного во
РОС. ИАЦИ*КАЛЬНАЯ
С Петер г
времени процесса передачи тепла. Это особенно важно при использовании системы солнечного теплоснабжения, поскольку солнце является нестационарным источником энергии.
Такое постоянное динамическое изменение показателей системы солнечного теплоснабжения и её нагрузок еще больше усложняет задачу и делает необходимым проведение многовариантных расчетов, что практически возможно только при применении методов математического моделирования с помощью компьютерных программ.
Специфическим элементом систем солнечного теплоснабжения является солнечный коллектор. В данной работе для моделирования системы солнечного теплоснабжения выбраны воздушные виды солнечных коллекторов. Одной из причин этого выбора является то, что для гибридных коллекторов, в которых используют фотоэлементы в качестве поглощающей поверхности коллекторов для получения электрической и тепловой энергии одновременно, чаще всего используются воздушные коллекторы, и использование гибридных коллекторов в настоящее время является одним из самых перспективных методов преобразования солнечной энергии.
Целью настоящей работы является изучение нестационарных процессов обеспечения теплоты здания на основе использования солнечной энергии как нетрадиционного источника энергии. Для достижения поставленной цели быт поставлен ряд относительно самостоятельных, но взаимосвязанных задач в частности:
-Разработать динамическую модель теплового режима здания. -Провести численное и экспериментальное исследование локальных характеристик полей скорости и температур в канале плоского солнечного воздушного коллектора для создания его математической модели. -Разработать динамическую модель солнечного коллектора и бака аккумулятора.
-Разработать единую математическую модель теплового режима здания с солнечным теплоснабжением и её элементов.
-Применить разработанную модель в режиме теплоснабжения автономного объекта с целью определения экономической целесообразности использования солнечного теплоснабжения в южных районах России.
Научная новизна: 1 Разработана динамическая модель теплового режима помещения ориентированная на исследования нестационарных тепловых режимов здания, которая позволяет определять реальное энергопотребление любого периода эксплуатации и прерывистого режима отопления, учитывает взаимосвязь между элементами включая элементы автоматики. На основе разработанной модели получены количественные данные о динамике изменения температуры внутреннего воздуха помещения при разных температурах наружного воздуха. 2.Получены экспериментальные данные по изменению температуры поверхности пластины при нестационарном режиме в аналогичных условиях
работы солнечного коллектора и проведены численные расчеты локальных
характеристик. Хорошее совпадение результатов позволило использовать при
дальнейших расчетах течения в канале коллектора к-є модель
турбулентности.
3.Создана одномерная модель солнечного коллектора для определения
тепловых характеристик в нестационарных условиях. Модель учитывает
распределение температуры вдоль коллектора, и позволяет определить
коэффициент полезного действия коллектора с учеом изменения коэффициент
тепловых потерь. Проведено сравнение разработанной одномерной модели с
двумерной моделью и показано, что при расчете солнечного коллектора можно
с точностью 10% использовать одномерную модель.
4. При использовании разработанной модели получены количественные данные
об изменении КПД коллектора во времени и показано, что влияние
нестационарного режима работы солнечного коллектора приводит к росту КПД
коллектора при отсутствии солнечной радиации в конце дня.
5.Получены данные о распределении температуры вдоль гибридного
коллектора, в котором используется новый тип фотоэлемента с двухсторонним
нагревом и предложена для него система охлаждения.
6 Разработана единая модель теплового режима здания с системой солнечного
теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения), которая учитывает
параметров наружного воздуха, теплопередачи через ограждающие
конструкции, тепловых потоков, условий внутреннего объема помещения и
влияния характеристики системы солнечного теплоснабжения.
7.Проведены расчеты коэффициента замещения на базе созданной модели в
режиме теплоснабжения конкретного реального объекта с целью определения
экономической целесообразности использования солнечного теплоснабжения в
южных регионах России.
Достоверность. Приведенные в диссертационной работе научные данные и выводы базируются на проведенных численных экспериментах и на сопоставлении результатов исследования с результатами других авторов. Расчетные результаты были проверены путем сравнения с эмпирическими и экспериментальными данными.
Практическая ценность. Математические модели солнечного коллектора и здания могут быть использованы при проектировании новых солнечных коллекторов и их испытании, оптимизации характеристик течения, уменьшении стоимости солнечных систем, изучении нестационарных тепловых процессов в зданиях. Полученные данные и программы можно использовать при проектировании систем теплоснабжения, горячего водоснабжения и электроснабжения индивидуальных домов.
Основные положения, выносимые на защиту: -Математическая модель нестационарного теплового режима помещения
-Результаты расчетов динамики изменения температуры внутреннего воздуха
помещения при разных температурах наружного воздуха.
-Результаты экспериментальных и численных расчетов поведения поверхности
при нестационарном режиме аналогично течению в канале солнечного
коллектора и использования К-є модель турбулентности.
-Математическая модель солнечного коллектора для определения тепловых
характеристик в нестационарных условиях.
-Полученные результаты расчетов влияния нестационарного режима работы
солнечного коллектора на его КПД.
-Единая динамическая модель теплового режима здания с системой солнечного
теплоснабжения и её элементов.
- Результаты расчетов коэффициента замещения на базе созданной модели и
экономической эффективности использования воздушных коллекторов в
климатических условиях южных районов России при участии в покрытии
нагрузки отопления и горячего водоснабжения
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на 8 международных и всероссийских конференциях основными из которых являются: 3-я международная конференция, «Проблемы промышленной Теплотехники» (Киев, 29 сен.-4 окт. 2003г.), 4-я международная научно-техническая конференция «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, 12-13 мая 2004г.), 5-й Минский международный форум по тепло- и массообмену» (Минск, 24-28 мая 2004г.)
Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения представлены 9 публикациями.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх
глав и заключения, изложенных на 153 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунков и 18 таблиц, список литературы включает 109 наименований.
