Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние проблемы 10
1.1 Классификация аппаратов, преобразующих солнечное излучение в низкопотенциальное тепло 10
1.2 Эффективность солнечного коллектора. Методы испытаний 12
1.2.1 Методики испытаний по определению эффективности солнечных коллекторов 13
1.2.1.1 Стационарные методики испытаний тепловых характеристик солнечных коллекторов 13
1.2.1.2 Комбинированные методики испытаний солнечных коллекторов 22
1.2.1.3 Нестационарные методики испытаний солнечных коллекторов... 23
1.2.1.4 Долгосрочные характеристики солнечных коллекторов 28
1.3 Солнечные коллекторы в установках горячего водо- и теплоснабжения 32
Глава 2 Экспериментальная установка по испытаниям солнечных коллекторов и солнечных водонагревательных установок 43
2.1 Схема и основные элементы экспериментальной установки 43
2.2 Система сбора и регистрации экспериментальных данных 47
Глава 3 Экспериментальные исследования тепловых характеристик солнечного коллектора в климатических условиях г.Кракова 56
3.1 Анализ возможности использования стационарных стандартов по натурным испытаниям солнечных коллекторов для климатических условий г. Кракова 56
3.2 Методика и условия проведения эксперимента по определению теплотехнических характеристик солнечного коллектора 59
3.3 Обработка экспериментальных данных по определению тепловых характеристик солнечного коллектора 61
3.4 Анализ погрешности определения значений мгновенного КПД солнечного коллектора 66
3.5 Определение полного коэффициента тепловых потерь солнечного коллектора "К" 67
3.5.1 Определение коэффициента тепловых потерь через свегопрозрачное ограждение солнечного коллектора "К" 68
3.5.2 Определение коэффициента тепловых потерь задней стенкисолнечного коллектора "К" 70
3.5.3 Определение коэффициента тепловых потерь боковых стенок солнечного коллектора "К" 70
Глава 4 Разработка методики по оценке эффективности работы солнечных водонагревательных установок в различных регионах Польши 72
4.1 Методика проведения эксперимента 73
4.2 Методика обработки экспериментальных данных 76
4.3 Исследования эффективности работы СВУ в климатических условиях г. Кракова и обработка полученных экспериментальных данных 77
4.4 Анализ погрешности определения значений суточных производительностей 84
4.5 Использование результатов экспериментальных исследований для определения эффективности работы СВУ в других регионах Польши 84
Глава 5 Технико-экономическая оценка использования солнечных водонагревательных установок в условиях Польши 101
Основные выводы по результатам работы 110
Библиографический список 112
Приложение к диссертации . 124
- Стационарные методики испытаний тепловых характеристик солнечных коллекторов
- Система сбора и регистрации экспериментальных данных
- Обработка экспериментальных данных по определению тепловых характеристик солнечного коллектора
- Исследования эффективности работы СВУ в климатических условиях г. Кракова и обработка полученных экспериментальных данных
Введение к работе
Основой современной энергетической тюлитики стал поиск мер, направленных на повышение эффективности использования энергии, энергосбережение, сокращение или ослабление воздействия энергетических объектов на окружающую среду. Такая стратегия характерна для нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Использование ВИЭ в Польше, России и в других странах мира рассматривается сегодня как один из ключевых критериев обеспечения устойчивого развития энергетической отрасли.
Первичным источником энергии для Земли, как накопленной в прошлом, так и постоянно получаемой, является Солнце. Наиболее перспективным и всего более быстро развивающимся способом использования энергии солнечного излучения является его преобразование в низкопотенциальное тепло (20 -100°С) с использованием солнечных коллекторов (СК), как основного элемента солнечных водонагревательных установок (СВУ). В настоящее время площадь работающих в мире СК составляет около 70 млн. м2 (в Польше - около 30 тыс. м2) [1-4, 6].
До 90-х годов XX века развитие солнечной энергетики в Польше не находило соответствующей государственной поддержки. Вследствие этого практически не проводились научные исследования в области испытаний теплотехнических характеристик СК и солнечных водонагревательных установок (СВУ). Не разработаны польские методики по проведению испытаний и сертификации элементов СВУ, а также оценки пригодности применения в климатических условиях Польши существующих международных стационарных методик по проведению натурных испытаний тепловых характеристик СК. Отсутствовали экспериментальные, долгосрочные исследования эффективности работы СВУ в климатических условиях различных регионов Польши.
Цель работы.
Целью настоящей работы является проведение натурных испытаний теплотехнических характеристик СК, оценка возможности их проведения с использованием существующих квазистационарных методик по теплотехническим испытаниям СК в климатических условиях Польши, разработка инженерной методики оценки эффективности работы СВУ в различных регионах Польши, методик проведения экспериментальных исследований СВУ и определения эффективности работы СВУ в других регионах страны.
В соответствии с целевым направлением работы задачами работы являются:
- выполнение детального обзора научно-технической литературы по существующим методикам проведения исследований теплотехнических характеристик СК, а также исследований эффективности работы СВУ.
- разработка и создание экспериментального теплогидравлического стенда для проведения испытаний тепловых характеристик СК и эффективности работы СВУ в климатических условиях г. Кракова;
- проведение анализа климатических условий г. Кракова с целью возможности применения квазистационарных методик по натурным испытаниям СК;
- проведение натурных испытаний тепловых характеристик плоского СК по квазистационарной методике;
- сравнение результатов натурных испытаний тепловых характеристик СК с результатами лабораторных испытаний данного солнечного коллектора;
- проведение систематических долгосрочных экспериментальных исследований СВУ с плоскими СК, работающей в гравитационном режиме циркуляции теплоносителя в климатических условиях г. Кракова.
- проведение систематических долгосрочных экспериментальных исследований работы СВУ с трубчато - вакуумированным СК, работающей в принудительном режиме циркуляции теплоносителя в климатических условиях г. Кракова.
- проведение технико-экономической оценки целесообразности использования солнечной энергии для получения низкопотенциального тепла в СВУ в климатических условиях Польши.
Научная новизна.
Разработан и создан экспериментальный теплогидравлический стенд для испытаний параметров теплотехнического совершенства СК и испытаний эффективности работы различных типов СВУ в натурных условиях Польши.
Впервые проведены натурные исследования тепловых характеристик СК в климатических условиях г. Кракова по квазистационарной методике.
Показано, что климатические условия г. Кракова позволяют успешно проводить натурные исследования по существующим международным квазистационарным методикам испытаний СК.
Впервые проведены систематические (ежедневные) экспериментальные исследования работы СВУ в климатических условиях Польши. Предложена методика проведения данного рода экспериментальных исследований.
Разработана методика по оценке эффективности работы СВУ в различных регионах Польши. Методика основана на результатах долгосрочных исследований работы СВУ в условиях г. Кракова.
Получены универсальные уравнения суточных производительностей СВУ в зависимости от дневных сумм солнечного излучения для отдельных месяцев и периодов времени, которые позволяют провести расчет суточных производительностей СВУ для других регионов Польши и ближайшего зарубежья.
С применением предложенной методики определена эффективность работы описанных в данной работе СВУ в климатических условиях 11 крупнейших городов Польши, а также г. Москвы.
Практическая значимость работы.
Впервые в Польше разработан и создан экспериментальный стенд по испытаниям теплотехнических характеристик СК и систематическим исследованиям эффективности работы СВУ в натурных условиях. Проведены исследования эффективности работы СВУ различных действующих на польском рынке производителей. Разработана инженерная методика оценки эффективности работы СВУ в климатических условиях различных регионов Польши. Методика является полезным инструментом для принятия практических решений по конфигурациям СВУ и их применению в климатических условиях различных регионов Польши, а также для апробации существующих численных методов оценки эффективности работы СВУ.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной конференции "Возобновляемая энергетика 2003. Состояние проблемы, перспективы" (Санкт-Петербург, 2003г.), Четвертой всероссийской научной молодежной школе "Возобновляемые источники энергии" (Москва, МГУ, 2003г.), конференции "VIII Forum Odnawialnych Zrodel Energii" (Mi dzybrodzie Zywieckie, 2002r.), V, VI и VII Международных симпозиумах молодых ученых, аспирантов и студентов (Москва, МГУИЭ, 2001г., 2002г., 2003 г.), IV Международной научной конференции "Teoretyczne і Eksperymentalne Podstawy Budowy Aparatury" (Krakow-Muszyna, 1999r.), семинарах Института химического машиностроения и химической технологии Краковского политехнического университета (2002-2003 гг.), семинарах кафедры ЮНЕСКО Московского государственного университета инженерной экологии (2001-2003гг.). По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Основная часть исследований, представленных в диссертационной работе, проводилась при финансовой поддержке Европейского Регионального Бюро ЮНЕСКО по науке (ROSTE).
Автор выражает особую признательность научным руковадителям к.т.н., доценту СИ. Вайнштейну и д.т.н., профессору Я. Магере за всесторонную практическую помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертации.
Стационарные методики испытаний тепловых характеристик солнечных коллекторов
Итак, наиболее сильное влияние на м-КПД плоского СК оказывают климатические параметры - плотность потока солнечного излучения в плоскости коллектора и температура наружного воздуха, ряд конструктивных параметров, а также рабочие параметры СК - расход теплоносителя и его температура на входе в СК и на выходе из него.
Уравнения (1.5) и (1.8) представляют собой математическую модель солнечного коллектора, определяемую в литературе как модель Хоттеля-Уиллера-Блисса. Модель основана на следующих допущениях: СК работает в стационарном режиме; раздающий и сборный гидравлические коллекторы обеспечивают равномерное распределение теплоносителя по трубам поглощающей панели; градиентами температур по периметру труб можно пренебречь; раздающий и сборный гидравлические коллекторы занимают малую площадь поглощающей панели в целом и могут не учитываться; градиенты температур в направлении потока теплоносителя и между трубами могут рассматриваться независимо друг от друга; теплофизические свойства конструктивных материалов СК и теплоносителя не зависят от температуры [9,21]. С целью определения параметров теплотехнического совершенства СК, в том числе определения значений его оптического КПД (FR(TCC) или F(ta)) и коэффициента тепловых потерь, был разработан ряд стандартов, предлагающих методики проведения данного рода исследований.
Большинство из разработанных стандартов [22-27,29] предлагают стационарные методики испытаний и допускают проведение исследований, как в натурных, так и в лабораторных условиях.
В настоящее время для определения характеристик СК ряд работающих в этой области научно-исследовательских центров применяют находящиеся в закрытых помещениях установки, оснащенные имитаторами солнечного излучения (ИСИ) с имитацией всех внешних условий. Проведение исследований в условиях закрытого помещения дает возможность тщательно контролировать условия и параметры эксперимента, что в свою очередь значительно облегчает проведение эксперимента, и тем самым экономит время, необходимое для его проведения.
Результаты исследований, полученные при использовании ИСИ, могут, однако отличаться от действительных результатов, полученных в натурных условиях работы СК. Это происходит из-за различий в спектрах излучения солнца и имитатора солнечного излучения, разницы в соотношении прямой и диффузной радиации ИСИ и солнца, различий в углах падения излучения в лабораторных и натурных условиях. Расхождение результатов может быть также вызвано различием условий теплообмена между свегопрозрачным ограждением (стеклом) коллектора и окружающей средой [15]. Из приведенных в [30] результатов испытаний отдельного СК, как в натурных, так и в лабораторных условиях, следует, что значения КПД, полученные с использованием ИСИ, примерно на 5% выше по сравнению с натурными испытаниями. Результаты лабораторных испытаний требуют корректировки, однако, как следует из проведенного автором анализа результатов испытаний различных европейских институтов, работающих в области лабораторных испытаний СК, ни один из них в своих исследованиях не учитывает этих различий.
Необходимо отметить, что лабораторные исследования СК также проводятся в отсутствии ИСИ с использованием темнового эксперимента. Однако, данным методом возможно определение только полного коэффициента тепловых потерь СК. Определение оптического КПД таким путем не возможно.
По выше приведенным причинам результаты испытаний СК в натурных условиях их работы считаются более приемлемыми для практики по сравнению с результатами лабораторных исследований.
Как уже было сказано, разработанные стандарты позволяют проводить исследования СК также в натурных условиях их работы. Однако, в действительности, из-за весьма строгих требований по минимальным значениям и допустимым колебаниям параметров окружающей среды во время эксперимента (прежде всего плотности потока солнечного излучения, поступающего на СК), предлагаемые стандартами стационарные методики испытаний в ряде климатических зон являются не пригодными для использования.
По методике NBS плотность потока солнечного излучения, измеряемая в плоскости СК, должна составлять не менее 630 Вт/м2, а диапазон допустимых колебаний в течение эксперимента не должен превышать ±50 Вт/м . Аналогичные величины равны: по [31] 530 Вт/м2, ±32 Вт/м2, по стандарту EN 700 Вт/м2, ±50 Вт/м2 [29], по стандарту ANSI/ASHRAE 92-1986 - 790 Вт/м2, ±32 Вт/м2 [22], а по стандарту DIN V 4757-4 - 800 Вт/м2, ±50 Вт/м2 [23].
Стандарты не регулируют диапазона допустимого отклонения плотности потока солнечного излучения во время проводимых для определения тепловых характеристик СК натурных экспериментов. Некоторые стандарты предлагают только, чтобы это отклонение во время всех проводимых серий испытаний находилось в разумном отклонении от среднего значения (например, [23] рекомендует отклонение плотности потока солнечного излучения от среднего значения не больше чем на ±15%). Все серии экспериментов должны проводится в околополуденные часы, а угол падения солнечного излучения на площадь СК не должен превышать 20-30.
Температура окружающей среды во всех проводимых сериях испытаний должна находится в диапазоне 15-КЗОС, при этом во время каждого отдельного эксперимента максимальная погрешность температуры не должна превышать -±1-1.5С.
Методики испытаний СК рекомендуют проведение исследований СК при скорости ветра не больше чем 4.5 м/с (NBS), между 2.0 -4.0 м/с (ISO), 2.2+-4.5 (ASHRAE, DIN), 3 м/с (EN). Можно заметить, что данный параметр окружающей среды не регламентируется стандартами так остро, как остальные два. Например, в [32] рекомендуется проведение исследований при скорости ветра 3.5 -4.5 м/с, но допускается также исследования при нулевой скорости ветра. Однако, необходимо отметить, что данный стандарт предусматривает проведение испытаний СК только с использованием ИСИ.
Требования стандартов по поддержанию во время экспериментов постоянных параметров теплоносителя весьма жесткие. Температура теплоносителя на входе в СК должна поддерживаться в зависимости от стандарта с погрешностью ±0.1-Ю.5 С от заданного значения, а температура теплоносителя в СК с точностью ±0.1-Ю.75 С от среднего ее значения [33]. Температуры теплоносителя tfj, для которых проводятся измерения, должны равномерно перекрывать весь температурный диапазон работы коллектора; при этом для более точного определения оптического КПД СК одна из этих температур должна быть близкой температуре окружающей среды (±3 С).
Система сбора и регистрации экспериментальных данных
В неотопительный период отбор горячей воды авторы проводили двумя путями.Путь I. Отбор воды из Б А осуществлялся с момента ее нагрева до заданной температуры. Во время отбора расход регулировался таким образом, чтобы температура отводимой воды поддерживалась на постоянном уровне. Таким образом, определялась производительность СВУ по горячей воде с заданной температурой.
По проведенным исследованиям в ясные дни неотопительного периода СВУ нагревала до температуры 55С около 1500-1800 л отводимой таким образом воды. КПД установки составлял 30+35%.
Путь И. Отбор воды происходил с учетом цикла суточной нагрузки: с 13 до 14 часов было отведено 15% суточной нормы, с 19 до 23 - 55% суточной нормы, утром - 30% суточной нормы. Эксперимент показал, что также в данном случае в ясные дни неотопительного периода СВУ полностью удовлетворяла потребность в горячей воде, а КПД СВУ в данном случае составлял 18+22%.
Четырехлетний анализ эксплуатации установки в отопительный период (с ноября по март) показал, что солнечная энергия обеспечивает 34+44% общих потребностей дома (СВУ и пассивный обогрев). Рассчитанная доля покрытия тепловых потребностей СВУ за отопительный период колебалась в диапазоне 21+22%, а за период целого года 44+50%.
С целью уменьшения риска создания низкоэффективной солнечной водонагревательной установки необходимо предварительно определить производительность проектируемой установки в зависимости от ее технических, а также географических и климатических параметров.
На основе математических моделей тепловых процессов, происходящих в СВУ, а также при учете климатических параметров для различных местонахождений были созданы расчетные программы для подбора наиболее оптимальных для потребителя элементов СВУ. Программы позволяют также предварительно определить в виде предполагаемых месячных коэффициентов покрытия тепловой нагрузки результаты работы уже спроектированных СВУ в заданных климатических зонах. Созданы программы, предназначенные как для расчета и оптимизации небольших, типичных для индивидуального сектора систем СВУ, так и для крупных установок, обладающих большими площадями СК, с использованием тепловых насосов или других источников тепловой энергии.
Программа "TRNSYS", созданная сотрудниками лаборатории солнечной энергии, действующей в University of Wisconsin-Madison (США), состоит из пакета подпрограмм (модулей), моделирующих работу отдельных элементов системы теплоснабжения. Подпрограммы используются главной программой, с помощью которой возможно проведение компьютерного моделирования производительности общей системы теплоснабжения. Оценка производительности общей системы происходит путем моделирования производительности отдельных взаимосвязанных с собой элементов системы -солнечных коллекторов, теплообменников, бака-аккумулятора, дублирующей котельной, кранов, насоса и др. Каждый элемент системы можно моделировать с помощью разностного и/либо алгебраического уравнения. Решение математической модели для каждого элемента происходит с помощью соответствующих подпрограмм программы "TRNSYS". В расчетах учитываются климатические данные - плотность потока солнечного излучения, температура окружающей среды, скорость ветра [69].
В [70, 71] приведены результаты динамического моделирования типичной СВУ, состоящей из СК площадью в 1+4 м и бака-аккумулятора емкостью 100 л без дублирующего нагревателя. Моделирование СВУ авторы проводили с использованием описанного выше пакета программ "TRNSYS". Методика моделирования СВУ предусматривала расчет ее параметров для каждого из 365 дней "типичного года".
Расчетные исследования были проведены с использованием метеоданных для более 50 метеостанций на территории России и около 150 на территории Европы. Результатом являются графики, определяющие количество дней, при которых в зависимости от среднего значения солнечной радиации вода в баке-аккумуляторе СВУ достигает температур 37С, 45С и 55С. Программы "F-chart" и "SCF24" [72], разработанные производителями СВУ, позволяют оптимизировать конфигурацию производимых ими солнечных систем в зависимости от расхода горячей воды потребителем и местонахождения установки, угла наклона СК и их отклонения от южного направления. Результаты приводятся в виде графиков, изображающих месячные доли покрытия тепловой нагрузки заданной установкой, а также прогнозы предполагаемого сбережения энергии и уменьшения эмиссии выброса газов за счет использования СВУ.
Программа "Polysun 3.3" [73] рассчитывает эффективность СВУ на основе климатических данных около 400 европейских метеостанций и обладает характеристиками около 250 СК. Возможно проведение вариантных расчетов СВУ, оснащенных одним или двумя БА, внешними или внутренними теплообменниками для 18 типов жилых зданий.
В [74,75] представлена программа "Optisol", реализующая комплексную оценку эффективности СВУ, т.е. расчеты динамики поступления солнечной радиации на наклонную поверхность, расчеты мгновенных КПД и удельной выработки тепловой энергии установками, определение интегральных показателей работы установки за расчетный период с расчетом требуемой площади установки, оптимизация площади установки по экономическим параметрам, расчет технико-экономических показателей установки.
В [76] приведена расчетная программа "STNSSA" по моделированию более сложных систем теплоснабжения, состоящих их СК, теплового насоса, дублирующей котельной, сезонного аккумулятора тепла. Данные элементы систем могут варьироваться в различных конфигурациях. Использованные программой имитационные модели тепловых насосов, а также площади и характеристики СК, размеры БА и сезонного БА, теплофизические характеристики грунта, коэффициенты теплообмена, графики и режимы нагрузок, а также климатические данные (в виде "типичного года"), позволяют рассчитать месячные и годовые суммы энергетического баланса установки, а также провести анализ данных за любой час, любого месяца года.
Обработка экспериментальных данных по определению тепловых характеристик солнечного коллектора
Целью проведения экспериментальных исследований являлось определение тепловых характеристик СК - оптического КПД и коэффициента тепловых потерь в натурных условиях его работы, а также построение графика эффективности СК, представляющего зависимость КПД СК от разницы средней температуры теплоносителя в СК и температуры окружающей среды.
Исследования СК "К" были проведены в период времени с июня по август месяцы 2002 года. Эксперимент проводился по квазистационарной методике, приведенной в стандарте ASHRAE 93-1986 (RA 91) "Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collectors", разработанном американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию. Квазистационарная методика стандарта ASHRAE является одной из наиболее трудоемких и жестких по установленным требованиям теплотехнических испытаний СК. Успешное выполнение экспериментов по требованиям данной методики позволяет проведение данного рода исследований также с использованием других разработанных методик.
Методика стандарта ASHRAE требует соблюдения следующих минимальных значений параметров окружающей среды во время проведения экспериментальных исследований по определению тепловых характеристик СК: минимальное значение плотности потока солнечного излучения, измеряемого в площади апертуры СК - 790 Вт/м2; диапазон допустимых колебаний плотности солнечного излучения ±32 Вт/м ; температура окружающей среды 15-КЗОС (допустимые колебания в течение эксперимента ±1.5С); По данному стандарту экспериментальные данные должны быть получены как минимум для четырех различных значений температур теплоносителя tfj на входе в СК. Принятые температуры теплоносителя должны равномерно покрывать весь температурный диапазон работы СК, а при каждой температуре должны быть проведены как минимум четыре независимых измерения. Для точного определения оптического КПД СК одна из принятых температур теплоносителя tfj не должна отличатся более чем на ±3С от значения температуры окружающей среды. Входная температура теплоносителя должна поддерживаться с погрешностью ±0.05С Расход теплоносителя во время экспериментов должен составлять 0,02 л/с в расчете на 1 м2 апертуры СК и поддерживаться постоянным с погрешностью ±2 %. В рамках этой методики измерения параметров, т.е. температур, расхода теплоносителя и потока солнечного излучения проводятся сериями продолжительностью не менее 10 минут. В случае натурных испытаний СК 15 минут непосредственно перед началом каждой серии измерений экспериментальный стенд доводится до квазистационарного состояния, в котором значения температуры и расхода теплоносителя, а также плотности потока солнечного излучения поддерживаются на требуемом значении во время эксперимента. В течение всех указанных экспериментов проводились измерения: плотности потока солнечного излучения в плоскости коллектора, (периодичность измерений 60 с); температуры окружающей среды, (периодичность измерений 60 с); температуры теплоносителя на входе и на выходе их СК, (периодичность измерений 20 с); расхода теплоносителя (периодичность измерений 2.5 л.); скорости ветра (периодичность измерений 2 с). 3.3 Обработка экспериментальных данных по определению тепловых характеристик солнечного коллектора. Расчеты мгновенных значений КПД СК проводились с использованием экспериментальных данных, полученных при температурах теплоносителя (воды) на входе в СК (tfJ: 26С, 30С, 40С, 60С и 80С. Поддерживание на постоянном уровне значений температуры теплоносителя на входе в СК во время всех проводимых серий измерений представляло собой особую трудность. Насколько, при низких значениях температуры теплоносителя на входе в СК, ее колебания были близки требуемым стандартом ASHRAE, на столько эти колебания увеличивались при более высоких ее значениях. Итак, для температуры t/j = 26С колебания составляли ±0.1С, для //,= 30С и tfti= 40С - 0.1-Ю.2С, для tfti = 60С - ±0.3С, а для tfj = 80С - ±0.4С. Помимо многократных повторений экспериментов для tfj = 80С, в экспериментах не удавалось уменьшить достаточно высокие значения колебаний входной температуры по отношению к требованиям используемого стандарта. Средняя плотность потока солнечного излучения на поверхности СК в течение всех экспериментальных исследований колебалась в диапазоне 812,61-=-958,41 Вт/м . Средние колебания температуры воздуха находились в диапазоне 23,2 + 25,8С, причем для tp = 26С эксперименты проводились при температурах окружающей среды, равных 23.2С, 23.7С, 25.0С, 26.9С. Расход теплоносителя во время эксперимента составлял 2,25 л/мин (площадь апертуры СК равна 1,876 м ) и поддерживался постоянным с допустимыми колебаниями ±0.05 л/мин (±2%). Из-за измерения объемного расхода теплоносителя, вместо предлагаемого стандартами массового расхода, расчеты мгновенных значений КПД СК определялись по формуле:
Исследования эффективности работы СВУ в климатических условиях г. Кракова и обработка полученных экспериментальных данных
Наиболее распространенным способом оценки эффективности работы солнечной водонагревательной установи (СВУ) в заданных климатических условиях является проведение анализа ее работы с помощью специально разработанных с этой целью компьютерных программ. На основе математических моделей тепловых процессов происходящих на отдельных элементах установок, а также при учете климатических параметров характерных для конкретного местонахождения, данные программы позволяют подобрать наиболее оптимальную для потребителя конфигурацию проектируемой установки, а также оценить эффективность работы уже спроектированных СВУ.
В настоящее время недостаточно хорошо отроботаны методики натурных испытаний СВУ позволяющих проводить оценки эффективности работы СВУ не на основе численного моделирования, а с использованием экспериментальных данных на основе долгосрочных испытаний солнечных водонагревательных установок.
Колебания климатических условий во время отдельного дня, месяца, в период целого года вызывает необходимость проведения долгосрочных экспериментальных исследований. Только долгосрочные экспериментальные испытания установок позволяют получить тепловые характеристики, которые в достаточно хорошей степени определяют эффективность работу СВУ в реальных условиях и в разное время года.
В данной главе разработана методика по оценке эффективности работы СВУ в климатических условиях Польши. Методика основана на результатах долгосрочных исследований работы СВУ в условиях г. Кракова. Предложена методика проведения данного рода исследований. Сформулированы рекомендации по способу использования полученных данных для определения эффективности работы СВУ в других регионах страны.
Основой разработанной методики по определению эффективности работы солнечной водонагревательнои установки являются многократные цикличные эксперименты, в результате которых определяются суточные производительности СВУ. Производительность установки является основной ее характеристикой и одной из исходных данных как для определения значений коэффициента покрытия тепловой нагрузки установкой, так и определения значений ее КПД.
Эксперимент по определению суточной производительности СВУ проводился по следующей методике: 1. Утром (до восхода Солнца) вода в баке-аккумуляторе установки полностью замещается свежей водопроводной водой. При этом измеряется температура водопроводной воды (периодичность измерений 1 мин.). 2. Днем установка работала непрерывно, без отбора воды из бака-аккумулятора (БА). Режим циркуляции теплоносителя в солнечном контуре, а также расход теплоносителя принимался согласно рекомендациям производителя. 3. Одновременно, во время работы установки проводились круглосуточные измерения общей плотности потока солнечного излучения в плоскость СК с периодичностью измерения 1 мин. 4. Вечером после завершения работы установки проводился отбор горячей воды с одновременным измерением значений всех параметров необходимых для определения производительности СВУ - температуры горячей воды на выходе из БА, температуры водопроводной воды, расхода водопроводной воды на входе в БА. Точность приборов, а также периодичность измерений параметров горячей и холодной воды должны обеспечивать получение точных значений суточной производительности СВУ. (В экспериментальных исследованиях описанных в данной работе периодичность измерений значений температур составляла 2 с, точность измерения термометров сопротивления составляла 0.07С, точность измерения датчика расхода жидкости 2%. Расчеты производительности проводились по приведенной во второй главе формуле (2.1 в)). 5. Отбор горячей воды из Б А проводился к моменту сравнения температуры воды на выходе из бака и температуры водопроводной воды поступающей в бак на ее место. На практике, из-за теплоемкости конструкции БА, сравнение температур достигнуть достаточно сложно и для сбережения расхода воды эксперимент завершался при расхождении обеих температур на 3 -І- 4 С.
Проведение постоянных измерений рабочих параметров теплоносителя в солнечном контуре (температур теплоносителя на входе и выходе из коллектора, входе и выходе из БА, расхода теплоносителя) для определения значений суточной производительности, а также КПД и коэффициента покрытия тепловой нагрузки СВУ не является необходимым. Однако, возможность их измерения и регистрации позволяет определить дополнительные тепловые характеристики установки, как, например, количество тепла получаемое теплоносителем от поглощающей панели в СК, количество тепла передаваемое теплоносителем нагреваемой в БА воде, величину тепловых потерь на подводящем и отводящем трубопроводах солнечного контура. Это позволяет рассчитать энергетический баланс установки. Пример энергетического баланса СВУ наглядно приведен на рис 4.1.
