Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ существующих гелиоустановок 14
1.1 Анализ существующих гелиоустановок 14
1.2 Термодинамические процессы, происходящие в плоском солнечном коллекторе 31
1.2.1 Энергетический баланс плоского солнечного коллектора 31
1.2.2 Полный коэффициент тепловых потерь 33
1.3 Зависимость эффективности плоского солнечного коллектора от его гидродинамических параметров 34
1.3.1 Распределение температуры между трубами и эффективность коллектора 35
1.3.2 Теплоотдача от стенки трубы к жидкости 38
1.3.3 Коэффициент отвода тепла из коллектора и его КПД 39
1.4 Повышение эффективности плоских солнечных коллекторов 40
Выводы по главе 1 45
Глава 2. Теоретические исследования процессов гидродинамики и тепломассопереноса в системах твердое тело-твердое тело и твердое тело-жидкость в солнечных коллекторах 46
2.1 Исследование потенциала солнечной энергетики в Восточной Сибири 46
2.2 Влияние полного коэффициента теплопроводности плоского солнечного коллектора на его эффективность 55
2.3 Распределение температуры теплоносителя в направлении потока 58
2.4 Гидравлический анализ режима движения теплоносителя в плоском солнечном коллекторе с увеличенной длиной тепловоспринимающих трубок 62
Выводы по главе 2 67
Глава 3. Разработка новой модели плоского жидкостного солнечного коллектора и методического подхода исследований в гидродинамических системах солнечных коллекторов с эффективным тепломассопереносом 69
3.1 Разработка новой модели плоского жидкостного солнечного коллектора 69
3.2 Методика проведения эксперимента 75
Выводы по главе 3 79
Глава 4. Испытание и сравнительный анализ солнечных коллекторов. расчет термодинамических параметров гелиоустановки SUN 1 80
4.1 Сравнительный анализ солнечного коллектора SUN 1 с аналогами 80
4.2 Расчет основных термодинамических параметров солнечного коллектора SUN 1 93
4.2.1 Полный коэффициент тепловых потерь в солнечном коллекторе SUN 1 93
4.2.2 Коэффициент теплопередачи от стенки трубы к жидкости в солнечном коллекторе SUN 1 95
4.2.3 Коэффициент эффективности солнечного коллектора SUN 1 96
4.2.4 Коэффициент отвода тепла в солнечном коллекторе SUN 1 97
4.2.5 Полная полезная энергия и COP солнечного коллектора SUN 1 98
4.2.6 Температура теплоносителя на выходе из коллектора SUN 1 99
4.2.7 КПД солнечного коллектора SUN 1 103
Выводы по главе 4 106
Глава 5. Оценка стоимости SUN 1 и его срока окупаемости 108
5.1 Конкурентоспособность SUN 1 на рынке солнечных коллекторов 108
5.2 Расчет срока окупаемости SUN 1 на примере различных объектов 110
Выводы по главе 5 121
Заключение 123
Список литературы 129
Приложение 1 - Суммарная солнечная радиация на нормально ориентированную поверхность на территории России 144
Приложение 2 - Расчет термодинамических параметров коллектора SUN 1 145
Приложение 3 - Принципиальная схема котельной поселка Листвянка Иркутской области с применением солнечных коллекторов SUN1 166
Приложение 4 - Принципиальная схема теплового пункта здания ПАО Сбербанк с применением солнечных коллекторов SUN 1 167
Приложение 5 - Акт внедрения от ПАО Сбербанк 168
Приложение 6 - Акт внедрения от ООО "БайкалСервисГрупп" 169
Приложение 7 - Акт внедрения ФГБОУ ВО "ИРНИТУ". 170
Приложение 8 - Акт внедрения ООО "Сервис" 171
- Анализ существующих гелиоустановок
- Разработка новой модели плоского жидкостного солнечного коллектора
- Температура теплоносителя на выходе из коллектора SUN 1
- Расчет срока окупаемости SUN 1 на примере различных объектов
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Важность таких систем жизнеобеспечения как тепло- и энергоснабжение, обеспечивающих комфортные условия проживания для людей, сложно переоценить.
Ежегодное потребление угля в мире составляет примерно 3 млрд. т. Одна крупная ТЭЦ (теплоэлектроцентраль) в среднем сжигает примерно 2 млн. т угля в год для нужд тепло- и электроснабжения.
Кроме ТЭЦ существуют гораздо более экологически чистые источники энергии или альтернативные источники энергии. К ним относятся вода, грунт, Солнце, ветер, биотопливо и др. На данный момент в мире ведется активное освоение данного вида энергетики, которые имеют ряд достоинств:
данные технологии легко интегрировать в уже существующие системы энергоснабжения;
общедоступность возобновляемых ресурсов позволяет уменьшить зависимость стран от импорта традиционного вида топлива;
мобильность данных технологий позволяет использовать их даже в самых отдаленных местностях;
возможность применения наукоемких технологий;
экологически чистое производство энергии;
- неисчерпаемость источников энергии.
Как видно из Атласа ресурсов солнечной энергии на территории России под авторством О.С.
Попеля, С.Е. Фрида, гелиоресурсы Иркутской области очень богаты и почти равны таковым в Крыму, который в СССР был избран для сооружения первой солнечной электростанции. Прямая солнечная радиация на перпендикулярную поверхность в Иркутске всего на 3 % меньше, чем в Евпатории. Во многих местах Приангарья солнечное сияние продолжается более 2000 ч/год и превышает этот показатель для Кисловодска. Средняя суточная продолжительность солнечного сияния на юге Иркутской области равна 6,6 ч, а в Грузии – 5,5 ч. Основным препятствием распространения гелиотеплоснабжения в Сибири, является, высокая стоимость вакуумных коллекторов и снижение КПД плоских гелиоколлекторов с уменьшением температуры наружного воздуха.
К настоящему времени известно множество подходов к решению задач тепломассопереноса в системе солнечного теплоснабжения, которые не всегда учитывают гидравлические характеристики системы и климатические условия. Поэтому важно еще на стадии разработки солнечного коллектора выявить эффективность тех или иных конструктивных решений. Это
4 можно сделать при помощи математического моделирования процессов тепломассопереноса в плоском солнечном коллекторе.
Анализ различных моделей плоских солнечных коллекторов и опыта их применения показали, что большинство из них малоэффективны в регионах с холодным климатом. При этом солнечная активность в большей части данных регионов имеет высокий уровень. Основной причиной этого является ориентированность производителей коллекторов на их использование в районах с теплым и умеренным климатом. Поэтому теплоизоляционные параметры гелиоустановок оптимальны для данных регионов, но в регионах с холодным климатом они показывают худшие результаты.
Степень разработанности темы диссертации. Исследованием процессов тепломассопереноса в различных средах, а также направлениями солнечной энергетики и проектированием солнечных коллекторов занималось множество российских и зарубежных ученых, которые отражали свои исследования в научных статьях, учебных пособиях и диссертационных работах. Среди них О.С. Попель, С.Е. Фрид, Г. Реттих, Дж. Даффи, У.А. Бекман, И.Г. Староверов, В.Н. Богословский, Н.Б. Варгафтик, А.Н. Сканави, Ф. Крейт, У. Блэк, В.П. Исаченко, Ю.И. Шаров, А.С. Сукомел, Е.А. Краснощеков, В.И. Крутов, С.А. Кляйн, Г.Ц. Хоттель, Б.Б. Вёрц, Дж. Твайделл, А. Уэйр, Г.П. Гарг, П.А. Хаванов, В.Г. Гагарин, В.И. Бодров, П.В Садилов, М.Н. Чекардовский, М.П. Калашников, И.А. Галимов, Л.Ю. Уразаева, У.Х. Газиев, В.В. Нащокин, Л.В. Арнольд.
На тему солнечной энергетики был написан ряд диссертационных работ. Среди них работа кандидата технических наук Митиной И.В., в которой она описывает повышение эффективности солнечных коллекторов при применении вакуумированных стеклопакетов; работа кандидата технических наук Рахнова О.Е., где рассматриваются экологические проблемы развития современной энергетики, технологии преобразования энергии солнечного излучения, наблюдения и расчеты солнечного излучения и экспериментальные исследования эффективности солнечных коллекторов; работа кандидата технических наук Сулейманова М.Ж., где описывается экспериментальное исследование теплотехнических характеристик солнечных коллекторов и водонагревательных установок; работа кандидата технических наук Такаева Б.В. на тему «Разработка воздушного солнечного коллектора с прозрачной тепловой изоляцией и оптимизация систем солнечного теплоснабжения»; работа кандидата технических наук Трошкиной Г.Н., где описаны методы расчета систем солнечного теплоснабжения, исследование теплоизоляционных свойств прозрачной сотовой тепловой изоляции, расчет теплопотерь коллектором и соединительными трубопроводами и т.д.; работа кандидата технических наук Петренко В.Н., в которой описана автоматизации система управления энергокомплексом на базе гелиоустановки.
Цель и задачи. Целью данной работы является разработка способа повышения эффективности процессов тепломассопереноса в плоском жидкостном солнечном коллекторе, используемом в системе отопления и ГВС, за счет применения меандрообразных тепловоспринимающих трубок, с последующей оптимизацией гидродинамического режима потока теплоносителя.
Основными задачами, поставленными для достижения данной цели являются:
исследование возможности использования потенциала солнечной энергетики в Восточной Сибири при помощи солнечных коллекторов;
расчет процессов тепломассопереноса в плоском солнечном коллекторе и поиск технических решений по повышению эффективности гелиоустановки при работе в климатических условиях, приравненных к Крайнему Северу, таких как климатическая зона Восточной Сибири;
разработка новой конструкции солнечного коллектора с применением новых технических решений;
проектирование и сборка испытательного стенда солнечных коллекторов;
разработка методики испытания нового коллектора;
- сравнительный анализ нового солнечного коллектора с уже существующими.
Второстепенными задачами являются:
изучение мирового и российского рынков солнечных коллекторов и конкурентоспособности нового солнечного коллектора на этих рынках;
применение солнечного коллектора с новой конструкцией в системах теплоснабжения различных объектов.
Объектом исследования является плоский солнечный коллектор, разработанный с учетом климатической зоны Восточной Сибири.
Предметом исследования являются процессы тепломассопереноса в плоских солнечных коллекторах и влияние их конструктивных особенностей на протекание данных процессов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Методом математического моделирования доказано увеличение температуры теплоносителя на выходе из плоского жидкостного солнечного коллектора за счет применения меандрообразных тепловоспринимающих трубок.
-
Разработана методика повышения эффективности солнечного коллектора посредством увеличения коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к теплоносителю за счет изменения гидравлического режима потока теплоносителя в меандрообразных тепловоспринимающих трубках.
-
Разработан новый теплообменник плоского солнечного коллектора, состоящий из меандрообразных трубок для нагревательной текучей среды, минимизирующий гидравлические
6 сопротивления и повышающий эффективность солнечного коллектора за счет уменьшения ширины его прямого изолированного ребра.
-
Получена физическая модель для определения температуры теплоносителя на выходе из солнечного коллектора в зависимости от длины каналов и начальной температуры.
-
Разработана экспериментальная методика для испытаний различных гелиоустановок в натурных условиях г. Иркутска, проводимых на разработанном экспериментальном стенде.
-
Экспериментальным путем определена неэффективность использования плоских солнечных коллекторов при температуре наружного воздуха ниже - 15 оС.
Теоретическую и практическую значимость диссертационной работы составляют:
Новый тип плоского солнечного коллектора SUN 1, который может эффективно применяться как в районах с теплым и умеренным климатом, так и с климатическими условиями, приравненными к Крайнему Северу, и который обладает улучшенными теплоизоляционными свойствами и каналами меандрообразной формы, которые, в свою очередь, обладают сравнительно низким гидравлическим сопротивлением и позволяют повысить температуру теплоносителя на выходе из солнечного коллектора. Данная гелиоустановка полностью собрана из местных материалов, обладает ремонтопригодностью, невысокой стоимостью и хорошей конкурентоспособностью на отечественном рынке солнечных коллекторов. SUN 1 может использоваться на любых объектах.
Физическая модель для определения температуры теплоносителя на выходе из солнечного коллектора и установленные пределы использования гелиоустановок позволят расширить исследования гелиосистем, используемых для отопления и горячего водоснабжения, а также разработать эффективные проектные решения.
Разработанный и собранный экспериментальный стенд, являющийся единственным в Восточной Сибири, позволяет проводить испытания любых типов коллекторов, а также обеспечивать учебный процесс для специальностей бакалавриата, магистратуры и курсов повышения квалификации.
Разработанная методика эксперимента может быть использована как в испытаниях солнечных коллекторов, так и в лабораторных практикумах.
Представленная в данной работе методика расчета количества солнечных коллекторов, необходимого для отопления и горячего водоснабжения объектов, может применяться для любых типов зданий.
Методология и методы диссертационного исследования. Для достижения поставленной цели в работе использовались методы наблюдения и сравнения, методы лабораторного и промышленного конструирования, теоретические исследования, полученные методом математического моделирования процессов тепломассопереноса в системах "твердое тело -
7 твердое тело" и "твердое тело - жидкость" в плоских солнечных коллекторах, с последующим экспериментальным подтверждением полученных результатов. Кроме того, использовались климатические данные, полученные на основе практических наблюдений различных метеостанций на протяжение последних 30 лет.
Положения, выносимые на защиту:
Новый теплообменник плоского солнечного коллектора, состоящий из меандрообразных трубок для нагревательной текучей среды, минимизирующий гидравлические сопротивления и повышающий эффективность солнечного коллектора за счет уменьшения ширины его прямого изолированного ребра.
Новая конструкция плоского жидкостного солнечного коллектора с меандрообразными тепловоспринимающими трубками, пониженным полным коэффициентом тепловых потерь и низким гидравлическим сопротивлением.
Физическая модель определения температуры теплоносителя на выходе из солнечного коллектора в зависимости от длины каналов и начальной температуры.
Методика определения необходимого количества солнечных коллекторов для теплоснабжения объекта с последующим применением энергосервисных контрактов.
Степень достоверности результатов. В ходе исследований и расчетов, проведенных в данной работе, использовались источники и научные работы признанных российских и мировых ученных. Достоверность результатов была подтверждена экспериментально при помощи поверенных измерительных приборов.
Личный вклад автора в получении результатов. Разработка методов, экспериментальные исследования, а также обработка экспериментальной информации, представленные в диссертации, проводились лично автором. Автор принимал активное участие в обсуждениях и опубликовании результатов.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались:
-
Всероссийская научно-практическая конференция "Ресурсоэнергосбережение в строительстве и системах жизнеобеспечения урбанизированных и малонаселенных территорий», ФГБОУ ВПО ИрГТУ, г. Иркутск, 25 ноября 2011 г.
-
Научно-практическая конференция с международным участием БайкалТЭК-2012 "Ресурсоэнергосбережение в строительстве и системах жизнеобеспечения урбанизированных и малонаселенных территорий", ФГБОУ ВПО ИрГТУ, г. Иркутск, 27-30 июня 2012 г.
-
Второй Международный молодежный промышленный форум "Инженеры будущего 2012", Иркутская область, Иркутский район, п. Большое Голоустное, июль 2012 г.
-
XIII Российская венчурная ярмарка & III Байкальская венчурная ярмарка, г. Иркутск, сентябрь 2012 г.
-
Научно-практическая конференция с международным участием "Региональный энергетический форум в сфере энергосбережения и повышения энергетической эффективности", ФГБОУ ВПО ИрГТУ, г. Иркутск, 06-07 декабря 2012 г.
-
XII сессия Байкальского сообщества бизнес-ангелов, г. Иркутск, 29 апреля 2013 г.
-
Третий Международный молодежный промышленный форум "Инженеры будущего 2013", Иркутская область, Иркутский район, п. Большое Голоустное, июль 2013 г.
-
"Городской конкурс инновационных проектов", г. Иркутск, март 2014 г.
-
"Областной конкурс инновационных проектов", г. Иркутск, июль 2014 г.
-
Выставка "Энергетика и ЖКХ-2014" , г. Иркутск, 14-17 ноября 2014 г.
-
VI научно-практическая конференция "Ресурсоэнергосберегающие технологии в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве", ФГБОУ ВО "ИРНИТУ", г. Иркутск, 3-6 сентября 2015 г.
-
II всероссийская конференция "Энергоэффективность. Наука и образование", г. Севастополь. 28-29.10.2015 г. "VIII энергетический форум Минобрнауки России". "Стандарты эффективности: организации образования и науки", г. Севастополь. 30.10.2015.
-
ОГКУ Центр Энергоресурсосбережения, г. Иркутск, 15.03.2016.
-
Международная научная конференция "Техническое регулирование в строительстве. Актуальные вопросы строительной физики в строительстве", г. Москва, НИИСФ РААСН 6-8 июля 2016 г.
-
Заседание кафедры отопления и вентиляции ФГБОУ ВО "НИУ МГСУ", 13 сентября 2016 г.
-
6-ая Российско-германская неделя молодого ученого под эгидой Германского дома науки и инноваций "Урбанистика: город будущего", г. Москва, ФГБОУ ВО "НИУ МГСУ", 12-16 сентября 2016 г.
-
VII международная научно-практическая конференция "Ресурсоэнергосберегающие технологии в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве", ФГБОУ ВО "ИРНИТУ", г. Иркутск, 17-18 февраля 2017 г.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение: п.1 "Совершенствование, оптимизация и повышение надежности систем теплогазоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования, методов их расчета и проектирования. Использование нетрадиционных источников энергии".
Результаты работы внедрены при проведении лабораторных практикумов, практических и ознакомительных занятий со студентами ФГБОУ ВО "ИРНИТУ" дневного, вечернего и заочного отделений, а также в рамках курсов повышения квалификации. Методика расчета количества
9 солнечных коллекторов применяется при разработке дипломных проектов, а также при составлении коммерческих предложений и проектных работах в ООО "БайкалСервисГрупп". Солнечные коллекторы SUN 1 применяются в системах отопления и горячего водоснабжения объектов ПАО Сбербанк, а также в системе теплоснабжения пос. Листвянка, Иркутской области.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 12 работ, в том числе 3 работы опубликованы в изданиях, входящих в "Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук" ВАК Минобрнауки РФ, а также 2 патента на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, приложений и списка использованной литературы из 118 источников, в том числе 9 на иностранном языке. Работа изложена на 171 страницах, включая 52 иллюстрации, 34 таблицы и 40 формул.
Анализ существующих гелиоустановок
В середине XVII века практически одновременно были выдвинуты две теории света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса.
Согласно корпускулярной теории, или теории истечения, светящиеся тела испускают мельчайшие частицы (корпускулы), которые летят прямолинейно по всем направления и, попадая в глаз, вызывают световое ощущение.
Согласно волновой теории, светящееся тело вызывает заполняющей все мировое пространство особой среде – мировом эфире – упругие колебания, которые распространяются в эфире подобно звуковым волнам в воздухе.
На протяжении четырех веков проводились различные исследования и эксперименты, в результате которых находились подтверждения как одной теории, так и другой. Те явления, которые не могла объяснить корпускулярная теория, объяснялись волновой теорией и наоборот. Таким образом, по современным представлениям, свет обладает как волновой, так и корпускулярной природой.
Для преобразования солнечной энергии в полезную давно применяются различные устройства, называемые гелиоустановками. Выделяют два основных типа данных установок:
- гелиоустановки для получения электроэнергии, принцип работы которых основан на волновой природе света. Данные устройства преобразуют энергию солнца в электроэнергию за счет фотоэлектрического эффекта [32-37];
- гелиоустановки для получения тепловой энергии, принцип работы которых основан на корпускулярной природе света. Преобразование солнечной энергии в тепловую происходит за счет процессов теплообмена.
В свою очередь каждый тип гелиоустановок классифицируется по своим конструктивным и технологическим особенностям. Гелиоустановки для получения тепловой энергии применяются для получения тепловой энергии для систем отопления и горячего водоснабжения (ГВС) зданий.
Такие гелиоустановки делятся на два основных вида: солнечные коллекторы и солнечные концентраторы.
1. Солнечные коллекторы применяются в основном в отдельно стоящих зданиях или небольших объектах (турбазы, небольшой завод и т.п.).
Данный вид гелиоустановок делится на два типа:
- Жидкостные солнечные коллекторы, теплоносителем в которых является вода или незамерзающая жидкость. Как правило системы теплоснабжения, в которой применяются данные устройства, имеют два контура. Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе и поступает в теплообменник или емкостный водонагреватель, где отдает тепловую энергию теплоносителю системы отопления или ГВС. Делается это для того, чтобы избежать перемерзания контура солнечного коллектора и для упрощения регулирования системы теплоснабжения.
-Воздушные солнечные коллекторы в качестве теплоносителя используют воздух. Данные устройства применяются в системах вентиляции и воздушного отопления. Для усиления тяги в таких системах обычно применяют вентиляторы.
В свою очередь каждый из этих видов гелиоустановок делится на отдельные подтипы.
1.1 Плоские жидкостные солнечные коллекторы (Рисунок 1.1 [38]) состоят из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия, каналов теплоносителя и термоизолирующего слоя. Солнечное излучение падает на абсорбер, который связан с теплопроводящей системой. От него тепловая энергия передается каналам и теплоносителю. Теплоизоляционный слой снижает теплопотери через заднюю стенку коллектора, а прозрачный элемент, который обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, защищает абсорбер от воздействия ветра и осадков.
При отсутствии разбора тепла (стагнации) плоские коллекторы способны нагреть теплоноситель до 190—200 C.
Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре.
Достоинства установок данного типа.
В зависимости от конструкции плоские солнечные коллекторы могут быть самыми дешевыми устройствами среди всех типов тепловых гелиоустановок. Они могут размещаться на крыше зданий, на их фасадах или рядом с обслуживаемыми зданиями. Плоские коллекторы просты в обслуживании и имеют презентабельный внешний вид, который не только не портит общий вид здания, на котором они размещаются, но и даже украшает его. Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности, поскольку применение меди против алюминия даёт выигрыш 4 %. КПД данных гелиоустановок может достигать 70-75 %. Теплопотери плоского солнечного коллектора через стекло растапливают снег на его поверхности, что отбрасывает необходимость его очистки.
Недостатки установок данного типа.
В данном типе коллекторов происходят относительно высокие потери тепла. Эти гелиоустановки обладают узким диапазоном освещенности, т.к. их конструкция не позволяет следовать за солнцем без специализированных приспособлений, которые значительно удорожат установку. По причине того, что плоские солнечные коллекторы имеют заводскую сборку, их монтаж значительно усложняется, т.к. на крышу здания (или его фасад) необходимо доставить полностью собранное и тяжелое устройство. Зачастую конструкция плоских солнечных коллекторов не позволяет их разбирать, что исключает возможность их ремонта.
Разработка новой модели плоского жидкостного солнечного коллектора
Применив результаты исследования и технические решения, описанные в предыдущей главе, а также приняв во внимание другие методы улучшения эффективности коллектора, описанных в разделе 1.4, была произведена разработка новой модели плоского жидкостного солнечного коллектора, обладающей новыми гидродинамическими и термодинамическими параметрами. Данные технические решения позволят максимально эффективно использовать устройство в климатических зонах, приравненных к Крайнему Северу, таких как Восточная Сибирь.
В данной главе будут приведены описание, расчеты и технические характеристики разработанного солнечного коллектора.
На рисунке 3.1 представлен солнечный коллектор SUN 1 (Solar UNit 1) [92-95], разработанный в ООО «Инновационный центр «Энергоэффективность» на базе ФГБОУ ВО "ИРНИТУ", относится к типу плоских жидкостных солнечных коллекторов. Он имеет простую конструкцию и относительно малый вес по сравнению со многими типами коллекторов. По техническому исполнению очень напоминает коллектор «Сокол», но имеет ряд особенностей. Описание будет вестись согласно рисунку 3.2.
Корпус (8) солнечного коллектора SUN 1 выполнен из фанеры, покрытой антикоррозионной мастикой. Задняя стенка также сделана из фанеры и крепится к корпусу рояльной петлей, что позволяет открывать и закрывать дверцу солнечного коллектора при необходимости ремонта и техобслуживания. Фанера была выбрана в качестве материала корпуса опытного образца по причине того, что данный материал более прост в обработке. В заводской модели планируется использовать алюминиевый корпус.
Поверхность солнечного коллектора представляет собой светопрозрачную изоляцию из двойного стекла (1), которая закреплена деревянными штапиками (2). Под стеклом находится воспринимающая поверхность или абсорбер (3). Он представляет собой металлический лист, покрытый черной эмалью. Как было доказано в главе 2 двойной светопрозрачный слой сокращает тепловые потери SUN 1 через переднюю часть коллектора.
Под листом находятся медные тепловоспринимающие трубы (5) с диаметром условного прохода 10 мм, по которым течет теплоноситель (вода или антифриз). Они имеют меандрообразную форму, что позволяет вместить в корпус коллектора со стандартными размерами трубки большей длины, что в свою очередь позволит теплоносителю дольше находиться под воздействием теплового излучения и ускорить нагревание теплоносителя, а также снизить финансовые затраты за счет снижения количества медных фитингов. Медные трубы присоединяются к медно-латунным гребенкам (4) с диаметром условного прохода 20 мм. Изобретение имеет четыре выходных патрубка (9), что позволяет использовать разные варианты подключения к системе теплоснабжения, а также позволяет осуществить как последовательное, так и параллельное подключение нескольких коллекторов
Внутренние стенки коллектора SUN 1 покрыты отражающим слоем (6), как и лицевая сторона утеплителя. В качестве данного слоя используется алюминиевая фольга. Как упоминалось в разделе 1.4, основным свойством фольги является способность отражать тепло. За счет этого в коллекторе снижены теплопотери через боковые и заднюю стенки, вызванные тепловым излучением змеевика, а также улучшено теплопоглощение трубок.
Утеплителем (7) в данном устройстве является поропласт, разработанный в ФГБОУ ВО "ИРНИТУ" на кафедре строительных конструкций [96]. Данный поропласт может вставляться в коллектор уже сформированным в твердом виде, либо заливаться во внутрь устройства в жидком виде, а затем, застывая, принимать нужную форму. Теплопроводность данного утеплителя составляет 0,036 Вт/мК, что гораздо ниже, чем у многих известных утеплителей. Толщина слоя утеплителя в данном коллекторе больше, чем у аналогов, что позволит снизить теплопотери через заднюю стенку коллектора. На солнечный коллектор SUN 1 получен патент на полезную модель [97]. Данный коллектор установлен на специально сконструированный испытательный стенд (Рисунок 3.3).
Для испытания новой модели солнечного коллектора был проведен эксперимент, основная суть которого заключается в сравнении SUN 1 с другим солнечными коллекторами в климатических условиях Восточной Сибири на испытательном стенде. Для эксперимента использовался плоский жидкостный солнечный коллектор «Сокол» (Россия), который на данный момент является самым технологичным и эффективным отечественным плоским солнечным коллектором. Кроме того на построенном стенде проводится исследование работы вакуумного солнечного коллектора HY-CY (Китай).
Стенд (Рисунок 3.4) состоит из 2-х плоских коллекторов «Сокол» (5) и SUN 1 (10), подключенных к баку аккумулятору (12), а также одного вакуумного коллектора HY-CY. Имеется два циркуляционных контура: I-ый - коллектор-бак-коллектор, II-ой - бак-насос-радиатор-бак. Вакуумный коллектор, имеющий собственный ёмкостный водонагреватель, подключен лишь к одному контуру. В первом контуре может использоваться как вода, так и антифриз, во втором – только вода. В состав установки входят также различные приборы учета, запорная арматура, насосы, расширительные баки, а также показательный отопительный прибор, служащий демонстрацией работы коллекторов.
Установка задумана как исследовательская и должна служить для проведения опытов, связанных с изучением солнечной энергетики и для испытаний вновь спроектированных коллекторов. Также она может выступать как лабораторная установка для изучения сферы альтернативных источников энергии будущими поколениями студентов, а также будет полезна при проведении курсов повышения квалификации. Однако, как уже упоминалось, основная её задача на данный момент – сравнить изобретенный солнечный коллектор SUN 1 с другими моделями солнечных коллекторов, т.е. посмотреть качество и эффективность его работы, а также определить преимущества и недостатки изобретения.
Как уже упоминалось ранее, плоский солнечный коллектор «Сокол», представленный на рисунке 3.5, разработан и производится с 1990 года на российском оборонном предприятии «НПО Машиностроение» и является самой распространенной отечественной моделью на территории Российской Федерации. Он предназначен для нагрева жидкости-теплоносителя для применения в системах солнечного нагрева воды, также он может использоваться как основной или дополнительный нагреватель в системе горячего водоснабжения. Для нагрева жидкости используется энергия прямого солнечного излучения. Данный коллектор может применяться в системах как с естественной (термосифонного типа) или принудительной циркуляцией теплоносителя.
В конструкции солнечного коллектора (корпус, поглощающая панель) применяются специальные профили из коррозионностойкого алюминиевого сплава. Корпус солнечного коллектора окрашивается в любой цвет методом нанесения полиэфирных порошков в электростатическом поле. Поверхность коллектора покрыта прозрачной изоляцией из стекла. Под стеклом расположена панель, поглощающая тепло (абсорбер) и покрытая селективной поверхностью. Под абсорбером располагаются медные прямые трубки. Вся эта конструкция помещена в металлический корпус. Нижняя и боковая части коллектора защищены термоизолятором. Нижняя часть закрыта пластиковой крышкой. Работающие коллекторы не требуют постоянного наблюдения и обслуживания. На тепловоспринимающую панель солнечного коллектора методом вакуумного напыления нанесено селективное поглощающее покрытие, имеющее высокую эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую.
Температура теплоносителя на выходе из коллектора SUN 1
Для вычисления температуры жидкости на выходе из коллектора tf 0 воспользуемся формулой (2.6). Длина трубы солнечного коллектора SUN 1 2 м. Результаты сведем в таблицу 2.8 приложения 2. Для доказательства достоверности расчета в данной таблице имеется колонка измеренной температуры на выходе из солнечного коллектора. Параметр S здесь приведен с учетом оптического КПД.
Сравнивая рассчитанную tfo0 и измеренную установлено, что разница между ними составляет не более 5 %. Скорее всего это связано с погрешностью расчетов и измерительных приборов.
Как видно из таблицы 2.8 приложения 2, tf 0 зависит от расхода теплоносителя m, а именно с уменьшением расхода увеличивается температура на выходе из коллектора. Зависимость степени нагрева жидкости от расхода известна уже давно. Однако основной целью данного расчета является описание зависимости температуры теплоносителя на выходе из коллектора от длины трубок. Рассмотрим случаи с использованием трубок длиной 1, 2 и 4 м. Для удобства анализа используем таблицу 4.9.
Таблица 4.9 демонстрирует, что с увеличением L возрастает и температура жидкости на выходе из коллектора SUN 1 при прочих равных условиях. При этом стоит обратить внимание, что при меньшем расходе жидкости наблюдается больший рост температуры с увеличением длины трубы. Для наглядности рассмотрим позиции 6 и 11 из таблицы 4.9. Заметно, что при практически равных значениях солнечной энергии в позиции 6 с расходом 172,8 кг/ч разница между значениями tf 0 значительно выше, чем в позиции 11 с расходом 342,00 кг/ч.
Также более существенный рост температуры наблюдается с возрастанием S. Рассмотрим позиции 19 и 20 из таблицы 4.9. При одинаковых расходах в примере 19 со значением S = 709,2 Вт разница между температурами tf 0 больше, чем в примере 20 при S= 250,7 Вт. На рисунке 4.12 представлен график зависимости tf 0 от S и m при различных длинах труб на примере позиций 3-11.
Расчет срока окупаемости SUN 1 на примере различных объектов
Для определения требуемого количества горячей воды в сутки обратимся к СП 30.13330.2012. "Внутренний водопровод и канализация зданий" [108]. При расчете будут использованы данные, полученные в главах 2, 3 и 4. Во всех случаях будет учитываться стоимость электроэнергии, затраченной на работу насосов гелиоколлекторов. Согласно Федеральному Закону Российской Федерации № 190-ФЗ от 27.07.2010 с изменениями от 01.05.2016 [109] использование централизованных открытых систем теплоснабжения (горячего водоснабжения) для нужд горячего водоснабжения, осуществляемого путем отбора теплоносителя на нужды горячего водоснабжения, не допускается, а с 1 января 2022 года открытые системы теплоснабжения исчезнут как вид. Поэтому во всех новых постройках уже используется только закрытая система ГВС. Для удобства расчета во всех рассматриваемых ниже объектах будет использоваться независимая система отопления. Это позволит не учитывать расход холодной воды, нагреваемой для системы отопления.
ОБЪЕКТ № 1.
Назначение объекта: типовой детский сад в г. Иркутске; Применение солнечной энергии: система ГВС + система отопления; Количество мест: 140 человек; Количество рабочего персонала: 20 человек; Количество рабочих часов в сутки: 12 часов; Норма потребления горячей воды на человека:30 л/сут. Расход воды был взят по суткам максимального водопотребления. Расчет сведем в таблицу 5.1.
В качестве оптимального количества солнечных коллекторов SUN 1 принимаем 54 шт. Данное количество коллекторов полностью покроет нагрузку на ГВС в период с февраля по октябрь и от 50 до 60 % нагрузки с ноября по январь. Однако расчет проводился по часу максимального водоразбора, кроме того, как показывает практика, фактические тепловые нагрузки в разы меньше нормативных. Поэтому можно сделать вывод, что 54 солнечных коллектора SUN 1 покроет гораздо больше тепловой нагрузки, чем требуется на горячее водоснабжение с февраля по октябрь и от 50 до 100 % нагрузки с ноября по январь. Излишки тепловой энергии в периоды с февраля по май, а также в сентябре и октябре пойдут на частичное погашение тепловой нагрузки на отопление. Т.к. площадь объекта неизвестна, невозможно рассчитать количество тепла, требуемое на отопление данного детского сада.
В таблице 5.2 представлен расчет срока окупаемости 54-х солнечных коллекторов SUN 1 по сравнению с централизованной или электрической системами теплоснабжения. Стоимость труб и устройств теплового пункта не учитывается ввиду того, что в любом случае в новом детском саду будет организован тепловой пункт и независимо от источника тепла, стоимость теплового пункта будет примерно одинаковой.
Как видно из таблицы 5.2 срок окупаемости 54-х солнечных коллекторов SUN 1 по сравнению с централизованной системой теплоснабжения составляет 13,10 лет, а по сравнению с электроотоплением 12,75 лет. Числа получились практически одинаковыми, поэтому округлим срок окупаемости до 13 лет.
ОБЪЕКТ № 2.
Назначение объекта: жилой дом, 4 этажа, г. Иркутск; Применение солнечной энергии: система ГВС + система отопления; Тепловая нагрузка на отопление: 436 кВт/ч Расход воды на ГВС: 458 л/ч; Расчет сведем в таблицу 5.3.
В качестве оптимального количества солнечных коллекторов SUN 1 принимаем 314 шт. На рисунке 5.1 будет наглядно показано соотношение тепловой нагрузки, требуемой для теплоснабжения жилого 4-х этажного здания, к тепловой энергии, которую могут произвести 314 солнечных коллектора SUN 1.
Как видно из таблицы 5.3 и рисунка 5.1 134 солнечных коллектора SUN 1 полностью покроет тепловую нагрузку на ГВС в период с февраля по октябрь. В январе данное количество коллекторов покроет 63% тепловой нагрузки на ГВС, в ноябре – 65%, а в декабре – 51%. Отопление при этом покроется на 23% в марте, 73 % в апреле, 100 % в мае, 47% в сентябре, и 3% в октябре.
Расчет срока окупаемости сведен в таблицу 5.4.
В данном случае при использовании электроэнергии срок окупаемости 134-х солнечных коллекторов SUN 1, установленных в 4-х этажном жилом доме составит 8,66 лет, а при использовании централизованной системы теплоснабжения 9,3 лет. Числа получились практически одинаковыми, поэтому округлим срок окупаемости до 9 лет.
ОБЪЕКТ № 3.
Назначение объекта: производственный объект;
Применение солнечной энергии: дежурное отопление;
Тепловая нагрузка на отопление: 29 кВт/ч
Данный объект имеет относительно небольшую площадь. Необходимо рассчитать количество солнечных коллекторов SUN 1 для обеспечения тепловой нагрузки 29 кВт/час. Такая мощность понадобится для обеспечения дежурного отопления в ночное время и частичной нагрузки в дневное время. Расчеты будут сведены в таблицу 5.5.
В данном случае при использовании электроэнергии срок окупаемости 192-х солнечных коллекторов SUN 1, установленных на производственном объекте составит 8,58 лет, а при использовании централизованной системы теплоснабжения 9,48 лет.
ОБЪЕКТ № 4.
Объект: система теплоснабжения пос. Листвянка, Иркутской области;
Показатели угольной котельной:
1. Установленная мощность котельной 1,97 Гкал/час
2. Присоединенная нагрузка 1,02 Гкал/час
3. В том числе нагрузка на горячее водоснабжение - 0,03 Гкал/час, с учетом потерь – 0,04 Гкал/час.
4. По данным приборов учета: - расход горячей воды средний за 10 месяцев - 371 м3/мес. - максимальная пиковая нагрузка на г.в. в мае составила 415 м3/час. Проект выполнить на 0,06 Гкал/час.
5. Расход воды на горячее водоснабжение 3500 м3/год,
6. Пользуется горячим водоснабжением 160 чел, в перспективе будут пользоваться 210 чел. ( с учетом дополнительного подключения жилых домов и клуба)
7. Утвержденный тариф на горячее водоснабжение 206,32 руб/м3
8. Затраты на горячее водоснабжение в летний период -229 тыс. руб., за год – 918,124 тыс. руб/год.
9. В котельной установлена ёмкость 6,5-7 м3, предназначена для ГВС.
Необходимо рассчитать количество солнечных коллекторов, необходимое для снятия нагрузки на горячее водоснабжение в летний период и таким образом вывести из работы в период с апреля по октябрь угольную котельную и улучшить экологию поселка. Котельная обслуживает 2 3-х этажных жилых дома и одну школу.
В целях безопасности эксплуатации проработать защиту коллекторов от вскипания воды. Технологически процессом учесть установку бака – аккумулятора.
Расчетное количество солнечных коллекторов 203 шт. Такое количество солнечных коллекторов позволит полностью покрыть расчетную суточную тепловую нагрузку на ГВС в период с февраля по октябрь и от 60 до 80 % нагрузки в период с ноября по январь. При этом в феврале, марте, апреле, мае и сентябре излишки тепла могут также покрыть и часть тепловой нагрузки на отопление. В системе солнечного теплоснабжения будет задействована уже имеющаяся ёмкость, объёмом 6,5-7 м3.