Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор схтояния работ по солнечному теплоснабжению в ссср и за рубежом
1-І. Состояние работ за рубежом 7
1-2. Состояние работ в СССР 23
1-3. Постановка задачи 31
Глава 2. Характеристики солнечного коллектора
2-І. Теплопроизводительность солнечного коллектора 35
2-2. Расчет тепловых потерь и коэффициента эффективности плоского солнечного коллектора 36
2-3. Методика испытаний солнечных коллекторов в лабораторных условиях 38
2-4. Солнечные коллекторы повышенной эффективности 53
Глава 3. Результаты испытаний солнечной водшагревательной устаноши в средней полосе СССР
3-І. Описание солнечной водонагревательной установки 63
3-2. Режим испытаний, измеряемые величины и измеритетельная аппаратура 72
3-3. Методика обработки опытных данных 75
3-4. Результаты испытаний и их анализ 77
Глава 4. Математическое моделирование работы солнечной водонагревательной установки
4.1. Расчет солнечных водонагревательных установок для сезонных потребителей тепловой энергии 97
4-2. Исследование влияния неравномерности расходов теплоносителя по коллекторам секции на выра ботку тепла
Глава 5. Экономика систем солнечного горячего водоснабеенйя сезонных потребителей в средней полосе СССР
5-І. Определение коэффициента замещения 12?
5-2. Расчет годового экономического эффекта от использования солнечной установки 132
5-3. Результаты расчетов 136
Выводы 142
Литература 144
- Состояние работ в СССР
- Расчет тепловых потерь и коэффициента эффективности плоского солнечного коллектора
- Режим испытаний, измеряемые величины и измеритетельная аппаратура
- Исследование влияния неравномерности расходов теплоносителя по коллекторам секции на выра ботку тепла
Введение к работе
Во многих странах мира, в том числе и в СССР, ведутся научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы по использованию солнечной энергии. Эти работы направлены на решение комплексной проблемы по экономии топливно-энергетических ресурсов в стране.
О значении этой проблемы можно судить по материалам Пленумов ЦК КПСС и съездов КПСС. Так, на ноябрьском (1979 г.) Пленуме ЦК КПСС указывалось': "... Какими бы темпами мы ни развивали энергетику, сбережение тепла и энергии и впредь будет важнейшей государственной задачей... На экономию тепла и энергии должны быть нацелены усилия каждого коллектива, каждого труженика" I ].
В принятых ХХУІ съездом КПСС основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года указывается, что выполнение главной задачи одиннадцатой пятилетки по обеспечению дальнейшего роста благосостояния советских людей, наряду с ускорением научно-технического прогресса, интенсификацией экономики и другими условиями, зависит от "всемерной экономии всех видов ресурсов". Там же указывается на необходимость увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии (гидравлической, солнечной, ветровой, геотермальной) [ 2 ].
В настоящее время более 80% энергии дают уголь, нефть и природный газ, запасы которых велики, но не беспредельны. Непрерывное и из года в год возрастающее потребление ископаемых видов топлива приводит к истощению наших богатств. Современный уровень их расходования очень велик. Учитывая то, что уголь и нефть это не только топливо, но и важное сырье для химической и других отраслей промышленности, использование их в качестве топлива нера-
ционально. Перспектива истощения запасов ископаемого топлива ставит на повестку дня развитие и все большее применение нетрадиционных источников энергии, среди которых важную роль играет солнечная энергия.
Работы по использованию солнечной энергии ведутся в различных странах мира применительно к коммунальному хозяйству, энергетике, промышленности и сельскому хозяйству. В различных отраслях народного хозяйства, в том числе коммунально-бытовой сфере находят применение простейшие низкопотенциальные солнечные установки для горячего водоснабжения, отопления и охлаждения зданий, опреснения воды и т.д.
За счет использования солнечной энергии нельзя полностью обеспечить энергетические потребности того или иного объекта, однако можно сэкономить значительную часть традиционных энергетических ресурсов. Поэтому солнечная энергия рассматривается в настоящее время как дополнительный источник энергии.
В наши дни большое внимание уделяется развитию сельского хозяйства Нечерноземья и развитию широкой сети оздоровительных уч^ реждений в Средней полосе СССР. Это связано с созданием многочисленных сезонных объектов: полевых станов, летних пунктов содержания скота, теплиц, рыбных прудов, пионерских и туристических лагерей и т.д. Все указанные виды сезонных объектов имеют большие потребности в обеспечении горячей водой, которые в значительной мере могли бы быть удовлетворены за счет использования солнечной энергии.
Довольно актуальными становятся также вопросы трудовых ресурсов. Для работы на мелких котельных требуется достаточно большой персонал, в то время как солнечные установки могут быть практически полностью автоматизированы.
Как видим, задача массового внедрения солнечных водонагрева-
- б -
тельных установок в средней полосе Европейской части СССР базируется на реальной основе и достаточно актуальна.
Состояние работ в СССР
Первые солнечные установки для горячего водоснабжения были созданы в СССР в тридцатых годах [35 J .В 1936 году в Средней Азии для нужд пограничных войск была построена солнечная баня-прачечная, которая обслуживала до 50 человек в день. В установках того времени применялись солнечные коллекторы конструкции Б.В.Петухова. Недостаток этой конструкции заключался в том, что алюминиевый лист, поглощающий солнечное излучение, крепился к трубам с нагреваемой водой с помощью проволоки в нескольких местах по длине трубы. Плохой тепловой контакт между листом и трубами приводил, естественно, к снижению температуры воды и эффективности работы установки. Тем не менее испытания такого коллектора в условиях Средней Азии в ноябре месяце продемонстрировали возможность нагрева воды до температуры 57 С [36 ].
В конце 30-х годов в Средней Азии было построено еще несколько установок для нагрева воды, в том числе в пионерском лагере в Фирюзе под Ашхабадом с площадью солнечных коллекторов 95 м2 [36 ] . Испытания установки, проведенные в 1940 г, гелиотехнической комиссией Академии наук СССР, показали, что даже при неизолированных трубопроводах дневная выработка тепла достигала 10 м3 воды с температурой 50 55 С, а к.п.д. установки - 47%.
В 1952 г. Д.М.Щеголевым (,ЭНИН им. Г,М.Кржижановского) в г. Ташкенте была испытана система солнечного отопления лабораторно го здания. Б качестве генератора тепла использовался солнечный котел с параболоидным концентратором диаметром 10 м. Тепло аккумулировалось в помещенной в грунт цистерне с водой объемом 63 м . Согласно испытаниям к.п.д. установки достигал 6Ъ% при подогреве воды от 23 до 43 С [ 37 ] .
В настоящее время работы по использованию солнечной энергии для теплоснабжения ведутся в рамках программы ГКНТ по проблеме 0.UI.08. В выполнении этих работ принимает участие целый ряд научных и проектных организаций различных министерств и ведомств, в том числе Минэнерго СССР, Госгражданстроя, Академии наук СССР и союзных республик, Минстройматериалов СССР, ВЦСПС и др. [38 ].
Одним из основных направлений этих работ является создание надежных и эффективных конструкций солнечного коллектора. С этой целью под руководством Государственного комитета СССР по науке и технике в 1976-7? гг. в г.Ашхабаде были проведены сравнительные испытания солнечных коллекторов различных типов. Испытания проводились по методике, разработанной ЭНИН им. Г.М.Кржижановского [ 39 ] .В - ряде представленных на испытания коллекторов в качестве поглощающей панели использовались стандартные стальные штампо-сварные радиаторы или алюминиевые прокатно-сварные теплообменники, технология производства которых разработана Всесоюзным институтом легкиххсплавов и широко освоена отечественной промышленностью [40, 41 ], в панелях обоих типов имеет место хороший тепловой контакт между стенкой канала и ребром, в результате чего такие панели позволяют получить более высокий к.п.д., чем у водонагревателя конструкции Б.В.Петухова.
Важное значение имеют вопросы методики проведения испытаний солнечных коллекторов и обработки полученных данных. Эти вопросы довольно широко обсуждаются в литературе. Известно много различных методик проведения испытаний в натурных условиях. Однако вследствие нестационарности параметров внешних воздействий -солнечной радиации, температуры окружающего воздуха, скорости ветра и др. - все эти методики имеют недостатки и не удовлетворяют полностью разработчиков коллекторов и систем солнечного теплоснабжения. Эти вопросы подробно обсуждаются в главе 2
К настоящему времени значительный опыт конструирования солнечных водо- и воздухонагревателей накоплен в Энергетическом институте им. Г.М.Кржижановского, КиевЗНйИЭП, Киевском НИИ санитарной техники (КиевНЙИСТ), Всесоюзном институте легких сплавов (ВИЛС), Институте высоких температур АН СССР (ИВТАН), ФТИ АН Узб.ССР, НПО "Солнце" АН Туркм.ССР и др.
Второе направление работ в области солнечного теплоснабжения связано с созданием крупномасштабных демонстрационных установок горячего водоснабжения и отопления жилых и общественных зданий с целью накопления опыта их разработки, проектирования и эксплуатации. В настоящее время в эксплуатации находится около 20 объектов с системами солнечного теплоснабжения. Значительный вклад в разработку таких систем внес Физико-технический институт АН Узб.ССР. Этим институтом за последние 15 лет было создано несколько экспериментальных солнечных домов как с пассивными, так и активными системами солнечного отопления [42, 43 ] . С 1975 г. в опытной эксплуатации находится одноэтажный двухквартирный дом с системой солнечного воздушного отопления с галечным аккумулятором [44] .
В 1981 г. в Даг.АССР сел. В.Гуниб и Армянской ССР пос. Мер-цаван завершено строительство двух солнечных домов сельского типа [45 ] , Проектирование этих домов осуществлялось под научным руководством Института высоких тешератур АН СССР. Системы теплоснабжения обоих домов выполнены по обычной двухконтурной схеме с промежуточным теплообменником. Солнечные коллекторы дома в Да гестане имеют двойное остекление. Теплоносителем коллекторного контура является антифриз, а отопительного - вода. Источником дополнительной энергии является электроводоподогреватель мощностью 10 кВт.
В Мерцаванском доме применяются коллекторы с одинарным остек лением, которые, однако, расположены под стеклянной крышей дома, что позволяет использовать в коллекторном контуре воду вместо антифриза. Еще одно отличие состоит в применении в качестве резервного источника тепла автоматического газового водонагревателя АГВ-І20 мощностью 14 кВт. Согласно расчетам доля суммарной тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, составляет для дома в Дагестане около 6Ъ%, а для дома в Арм.ССР -45% [46 ] , Столь сильное различие коэффициентов замещения, по-видимому, связано с тем, что площадь солнечных коллекторов в Дагестанском доме почти в 2 раза больше, чем в доме в посМер-цаван (соответственно 57,6 и 31,9 иг), хотя отапливаемая площадь и число жильцов одинаковы.
В последнее время в СССР, как и других странах, значительное внимание уделяется разработке централизованных систем солнечного теплоснабжения. Эти работы ведутся в ЭНИНе, ФТИ АН Узб. ССР, КиевЗНИИЭП, а также в целом ряде проектных организаций.
Расчет тепловых потерь и коэффициента эффективности плоского солнечного коллектора
Общий коэффициент тепловых потерь коллектора зависит от температуры поглощающей панели, скорости ветра и в меньшей степени от температуры окружающей среды, угла наклона коллектора к горизонту и расстояния между поглощающей панелью и остеклением. Эмпирическая формула (5) справедлива в диапазоне значений 4 от 40 до 130 С.
В последнее время во многих странах мира, где широко используется солнечная энергия, например в Австралии, Израиле, США и др. появились интересные предложения по стандартизации испытаний солнечных коллекторов в полевых условиях. Однако до сих пор не установлена единая экспериментальная методика определения характеристик коллектора.
Существующие методы испытания солнечных коллекторов можно разделить на две основные группы : метод определения эффективности по мгновенным значениям режимных и метеорологических факторов и калориметрический метод. Каждый из них позволяет определить основные характеристики коллектора.
При использовании первого метода измеряется расход теплоносителя, разность температур теплоносителя на входе и выходе из коллектора и плотность потока падающего солнечного излучения, причем все величины измеряются одновременно и при квазистационарном режиме.
При использовании калориметрического метода применяется система, в которой измеряется изменение температуры определен - 39 -ного количества теплоносителя за длительный интервал времени по отношению к энергии падающего излучения. У каждого метода есть свои преимущества и недостатки. Так, например, в методе определения эффективности по мгновенным зна чениям режимных и метеорологических факторов ;. требует ся измерить большое число параметров, причем эти величины должны быть измерены с большой точностью, независимо и одновременно. Однако в районах умеренного климата (выше 50 с.шj провести мгновенные испытания при стационарных условиях довольно затруд нительно, вследствие нестабильности метеорологических факторов. В калориметрическом методе необходимо измерить количество падаю щей солнечной энергии на единицу площади и изменение температуры теплоносителя в единицу времени. Для проведения таких опытов требуется длительный период времени. Б качестве примера калориметрического метода можно привести методику сравнительных испытаний солнечных коллекторов различных типов [39J , разработанную в СССР. Согласно этой методике испытания всех коллекторов проводились одновременно на одной экспериментальной площадке, при одинаковых значениях удельного расхода и температуры воды на входе в коллектор. Сравнение коллекторов осуществлялось по их эффективности и среднедневной температуре нагретой воды. Аналогичные испытания проводились в Австралии [60].
Большая часть исследований относится к испытаниям коллекторов в полевых условиях с использованием мгновенного метода. Причем, результаты натурных испытаний представляют в виде зависимости к.п.д. от At/E В методике, рекомендованной Национальным Бюро Стандартов (A/8S ) США [,61 ] , в качестве At используется разность между полусуммой температур теплоносителя на входе и выходе из коллектора и температурой наружного воздуха. Иногда полусумма g(tfe + ЫЛ/) заменяется на входную температу - 40 ру жидкости, как, например, в методике Американского общества по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ДЖАЗ) [62] .
Любая из этих форм представления данных характеризуется значительным разбросом экспериментальных точек. Для уменьшения разброса в методике /УВ$ введены следующие ограничения: - минимальное значение плотности потока суммарной солнеч-НОЙ радиации - 630 Вт/мс; - максимальная температура окружающей среды - 30 С; - максимальная скорость ветра - 3,5 м/сек; - максимальный угол падения солнечных лучей - 4-5 сС. В методике Jj$ttRJ приняты несколько иные значения указанных величин. Методики Кардиффского Университета [,63] , Шанхайского инженерно-механического института [64] и ряд других мало отличаются от методики JSMRflS , хотя в каждой из них имеет место собственный подход к условиям проведения экспериментов. Несомненный интерес представляет метод экспериментального определения основных характеристик солнечного коллектора, позволяющих рассчитать его эффективность I 65 ] .к числу таких характеристик относятся : - коэффициент отвода тепла от коллектора ; - приведенная поглощательная способность (Td)e г - общий коэффициент потерь Z
Перечисленные параметры определяются в результате натурного испытания солнечного коллектора. Этот метод был применен к коллекторам солнечного дома Университета штата Колорадо и продемонстрировал хорошее совпадение экспериментальных и теоретических значений.
Некоторые авторы [ 66, 67 ] предлагают проводить испы тания коллекторов в лабораторном помещении с помощью иммитатора Основная причиназзаключается в том, что требования Национального Бюро Стандартов США в отношении метеорологических факторов для условий Средней Европы малопригодны. Стабильная плотность потока суммарной солнечной радиации Е 630 Вт/м2 имеет место в этом регионе лишь в течение нескольких дней в году. Поэтому на получение кривой — (A t/E) понадобилось бы несколько недель. В то же время испытание коллекторов, изготовленных осенью и зимой, перенеслось бы на лето следующего года, что при имеющей место конкуренции не удовлетворяет производителей.
Другой путь определения эффективности заключается в измерении оптических и тепловых потерь коллектора в лабораторных условиях. В этом случае любые предложения по стандартизации испытаний коллекторов легко могут быть реализованы на практике. Очевидно, что если оптические и тепловые потери коллектора известны, то его эффективность и теплопроизводительность могут быть определены из балансовых соотношений для любого набора значений метеорологических и режимных параметров.
В качестве примера можно привести работы последователей этого направления - Швейцарского общества электриков [ 68 ] и Штут-тгартского Университета [ 69 ] . Авторы предлагают определять тепловые потери коллектора в лабораторных условиях при отсутствии солнечной радиации. Что же касается оптических потерь, то в Швейцарском обществе электриков определяют их на открытом воздухе, а в Штуттгартском Университете с помощью иммитатора.
Средняя температура поглощающей панели ia определялась по показаниям 12 хромель-копелевых термопар, подключенных к автоматическому потенциометру КСП4. Контакт спаев термопар с поверхностью панели обеспечивался с помощью прижимных винтов.-При выборе местоположениях термопар вся поверхность панели была разделена на 20 одинаковых по площади прямоугольных участков с размерами -- І и -І— , где / и / представляют соответственно длину и ширину панели. Термопары были установлены в центрах 12 из этих участков, как показано на рис. 2 , На этом же рисунке представлены графики изменения температуры панели в течение одного из опытов (опыт № 12, табл. 4 ). В данном опыте замеры были проведены через 20 минут после выхода на стационарный режим.
Режим испытаний, измеряемые величины и измеритетельная аппаратура
Опыты проводились следующим образом. В 8 II часов утра, в зависимости от погодных условий, включался циркуляционный насос. Одновременно открывался вентиль на линии слива воды в бак-аккумулятор. Расход воды в циркуляционном контуре устанавливался с помощью задвижек на подающем и сливном трубопроводах в пределах І -І 3 т/ч и во время опыта практически оставался неизменным. Заполнение системы солнечных коллекторов водой контролировалось по уровню в стеклянных воздухоотводящих трубках и регулировалось с помощью упомянутых задвижек. Отбор горячей воды потребителю начинался в тот момент, когда температура воды в верхних слоях бака достигала заданного значения. Одновременно включалась под питка установки водопроводной водой. Расход подпитки регулировался по уровню воды в баке-аккумуляторе.
Реальный график нагрузки горячего водоснабжения тлеет резко выраженный нестационарный характер (рис. 17 ). Это существенно затрудняло измерение расхода воды к потребителю &и , посколь ку мгновенные значения расхода часто оказывались за пределами шкалы измерительного прибора. Поэтому во время опытов имитировался простой ступенчатообразный график нагрузки, позволяющий провести измерения величины GH с необходимой точностью.
Опыт заканчивался, как правило, не позднее 17 часов. В процессе опытов непрерывно регистрировались следующие величины: - плотность потока суммарной солнечной радиации на поверхности коллектора Е ; - температура наружного воздуха 2 ; - скорость ветра в невозмущенном потоке с& ; - температура холодной водопроводной воды t g ; - температура воды на входе и выходе из системы солнечных коллекторов tu 3 ts. ; - температура воды на выходе из 1-ой, 4-ой, 8-ой, 11-ой и 14-ой секций солнечных коллекторов, расположенных на восточной половине крыши t± , t4 , t8 , t/f і t/4 ; - температура воды в баке-аккумуляторе в трех сечениях по высоте бака t % t , t3S ї - температура воды, отдаваемой потребителю Ти ; - расход воды в циркуляционном контуре # ; - расход воды к потребителю G# .
Суммарная солнечная радиация,регистрировалась автоматическим потенциометром типа КСП4- с помощью пиранометра М-80, установленного в плоскости коллекторов.
Для измерения температуры наружного воздуха и скорости ветра использовалась метеорологическая станция типа М-49.
Температура воды измерялась с помощью стандартных медных термометров сопротивления, подключенных к уравновешенному мосту типа КСМ4. В связи с трудностями технического порядка термометры сопротивления подключались к мосту по двухпроводной схеме. Поэтому все они предварительно тарировались по образцовому ртутному термометру.
Расход воды в циркуляционном контуре регистрировался автоматическим самопишущим прибором типа КСД2. В качестве первичного прибора использовался дифманометр типа ДМ. Перепад давления создавался специальным дроссельным устройством, которое предварительно тарировалось объемным методом.
Расход воды к потребителю измерялся с помощью электрического ротаметра РЭ-2,5 и вторичного регистрирующего прибора типа КСДЗ.
Исследование влияния неравномерности расходов теплоносителя по коллекторам секции на выра ботку тепла
В проведенных опытах не измерялось распределение расходов воды по солнечным коллекторам в пределах секции, однако косвенные данные, рассмотренные в разделе 3-4 , говорят о наличии неравномерности распределения расходов воды в секции. Выявлению причин возникновения подобной неравномерности и посвящен настоящий раздел.
При движении в соединительных трубопроводах и каналах солнечных коллекторов поток воды испытывает сопротивление движению, вызываемое разнообразными причинами: трением, местными сопротивлениями, подъемом массы воды на определенную высоту. В соответствии с этим перепад давлений при движении воды на некотором участке можно определить по формуле :
Необходимость учета нивелирной составляющей связана с наличием в установке различных углов наклона, как заложенных в конструкцию - это углы наклона солнечных коллекторов и углы наклона соединительных трубопроводов, предназначенные для облегчения удаления воздуха из циркуляционного контура, так и связанные с неточностью монтажа элементов установки. Оценки, проведенные для условии работы установки, показывают, что нивелирная составляющая на несколько порядков может превышать сопротивление трения и местные сопротивления.
Ниже показано, что именно наличие нивелирных сопротивлений и является основной причиной гидравлической неравномерности, которая, таким образом, определяется в основном постоянно действующими факторами конструктивного характера. С помощью математической модели, можно получить распределение расходов по солнечным коллекторам внутри секции установки, но принципы, заложенные в основу этой модели, могут быть использованы и при расчете расходов между секциями установки. Исходные предпосылки, использованные при создании математической модели секции установки, следующие: - геометрические параметрк установки считаются известными; - расход и температура воды на входе в секцию задаются; - плотность потока солнечной радиации, температура окружающего воздуха, скорость ветра задаются; - температура воды в раздающем и сборном трубопроводах секции определяется с учетом потерь тепла через изоляцию трубопроводов по известным зависимостям; - распределение расходов по каналам солнечного коллектора в пределах коллектора считается равномерным; - расчет проводится для стационарного режима, т.е. прене брегается аккумуляцией тепла в элементах установки за счет теплоемкости; - тепловой расчет солнечного коллектора проводится с ис пользованием математической модели, приведенной в
На этом рисунке - # -СПКС участка сборного трубопровода секции, расположенного между солнечными коллекторами; A} f / -СПКС участка раздающего трубопровода секции, раст положенного между солнечными коллекторами; Ъ/) / . -СЖС солнечного коллектора; О&м/ + Як л/ РасхД БДЫ через солнечный коллектор, кг/с; о -г $ - расход воды в раздающем и сборном трубопроводе секции, кг/с; 0 с - суммарный расход воды через секцию.
Для решения этих уравнений на языке Алгол-60 составлена программа расчета на ЭЦВМ. Используемый при программировании алгоритм счета записываем следующим образом : 1 - Задаем равномерное распределение расходов по солнечным коллекторам секции при /=0 ( / - номер итерации). 2 - Определяем температуру воды на входе в солнечные кол лекторы с учетом потерь тепла через изоляцию раздающего трубопровода секции. 3 - Проводим расчет теплового баланса солнечных коллекто ров и определяем температуру воды на выходе солнечных коллекторов. 4- - Определяем температуру воды в сборном трубопроводе с учетом потерь тепла через изоляцию трубопровода. 5 - Определяем СПКС / для всех элементов секции уста новки . 6 - С использованием уравнения (50) определяем рас пределение расходов по элементам секции в jl итерации . 7 Проверяем совпадение значений расходов в солнечных кол лекторах секции для двух соседних итераций /с заданной точностью у/ (51) 8 В случае несовпадения полученные значения расходов в солнечных коллекторах принимаем за исходные и процесс вычислений повторяем, начиная" с п. 2 до выполнения условия (51)
