Національна Академія Наук України
Національна Академія Наук України
Інститут загальної енергетики
РАБІНОВИЧ МИХАЙЛО ДАВИДОВИЧ
УДК 662.997:537.22
НАУКОВО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ
ВИКОРИСТАННЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ
В СИСТЕМАХ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ
Спеціальність: 05.14.01. – Енергетичні системи та комплекси
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ -2001
Дисертацію є рукопис.
Робота виконана в Проблемному інституті нетрадиційних енерготехнологій та інжинірінгу,
м. Київ
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, Драганов Борис Харлампійович, Національний аграрний університет, професор кафедри теплоенергетики;
доктор технічних наук, професор Шурчков Анатолій Васильович, Інститут технічної теплофізики НАН України, завідувач відділу проблем тепловикористання;
член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук Рєзцов Віктор Федорович, Інститут електродинаміки НАН України, керівник відділення комплексних енергетичних систем з відновлювальними джерелами енергії.
Провідна установа – Національний технічний університет "Київський політехнічний інститут", Інститут енергозбереження та енергоменеджменту, м. Київ
Захист відбудеться "31" травня 2001р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.223.01 в Інституті загальної енергетики НАН України за адресою:
03680, м. Київ-57, пр. Перемоги,56, тел. 417-01-42
З дисертацією можна ознайомитись у Інституті загальної енергетики НАН України
Автореферат розісланий "27" квітня 2001р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Мельничук Л.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Використання НВДЕ є одним із шляхів підвищення енергетичної безпеки України, який знаходить своє місце в розвитку енергетичного комплексу країни. Серед різних напрямків впровадження НВДЕ використання сонячної енергії для теплопостачання займає провідне місце з огляду на постійне зростання вартості копального палива, сприятливі кліматичні умови, що дозволяють створювати такі системи в будь-якому місці країни, наявність кваліфікованих кадрів, ресурсної та технологічної бази і досвід опрацювання значної кількості експериментальних об'єктів, які мають прийнятні терміни окупності. Вітчизняний і зарубіжний досвід засвідчує можливість економії 25-40% органічного палива при впровадженні систем сонячного теплопостачання, а у зв'язку з тим, що основна частина теплової енергії виробляється за рахунок спалювання органічного палива, використання сонячної енергії одночасно з його економією зменшує забруднення навколишнього середовища продуктами згоряння, а також теплове. Загальна кількість сонячної радіації, що надходить на територію країни, - 720 млрд. МВтЧгод на рік - набагато перевищує як сучасні так і майбутні потреби у енергії.
Національна енергетична програма України передбачає до 2010р. довести загальну потужність ССТ до 1850 МВт, що потребує встановлення більше 9,0 млн. м2 сонячних колекторів, і має дати економію біля 1 млн. т.у.п. на рік. Для реалізації завдань програми необхідно перейти від створення незначного числа експеріментальних і демонстраційних ССТ до їхнього масового впровадження в практику житлового, промислового та сільськогосподарського будівництва. Це потребує створення необхідної нормативно-методичної бази, яка має відповідне науково-технічне обґрунтування. Вона повинна спиратися на діючу практику проектування і будівництва і, по можливості, максимально використовувати наявні нормативні і довідкові документи та результати завершених розробок в цій галузі.
Аналіз світового досвіду реалізації, методів розрахунку та принципових схем ССТ, їх взаємозв'язку із призначенням і умовами експлуатації встановив, що:
- у різних країнах світу розроблені і випробувані численні ССТ але їх різноманіття не дозволяє зробити однозначний висновок про ефективність тих або інших систем в умовах України;
- непередбачуваність кліматичних факторів утрудняє проведення в натурних умовах порівняльних випробувань експлуатаційних характеристик систем, а використання математичних моделей дозволяє проводити їх в ідентичних умовах, значно скоротивши вартість і терміни досліджень. Методи розрахунку сонячних установок як єдиної системи теплопостачання, доступної для використання у вітчизняній практиці проектування і техніко-економічних розрахунків дотепер відсутні;
- напрямками підвищення ефективності ССТ може бути використання теплонасосних установок та зміна режиму інсоляції СК шляхом зміни просторового положення. В даний час вплив просторових характеристик СК на їх теплопродуктивність досліджено лише частково для окремо розташованих нерухомих СК .
Серед багатьох фахівців найбільший вклад в розробку питань сонячного теплопостачання в нашій країні та за рубежем внесено Р. Авезовим, Р. Байрамовим, Б. Тарніжевським, О.Фертом, Г. Умаровим, Дж. Даффи, У. Бекманом, С. Клейном і іншими. В цих роботах розглянуто процеси перетворення енергії СР в теплоту та розроблені методи розрахунку окремих елементів що дозволяє провести комплексні дослідження ССТ та створити науково-методичну базу для їх масового впровадження.
Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження, проведені дисертантом, виконані за завданнями ДКНТ СРСР та ДКНТП України, Держбуду СРСР та Держбуду України і Держкоменергозбереження України в рамках державних програм по використанню НВДЕ в народному господарстві: завдання 01 програми ДКНТ СРСР 0.01.08 “Створити і впровадити сонячні, геотермальні, вітрові установки та обладнання для виробництва тепла і електроенергії”, у 1986-1990р. - завдання 04 підпрограми РН.01.17Ц, програми РН.Ц.001, затвердженої Постановою Совміну УРСР від 11.07.86р. N270, а також у 1993-95р. - програми ДКНТП України 05.21.04 “Нетрадиційні джерела енергії (в т.ч. сонячні, вітрові, електрохімічні та ін.)”, у 1997-2000рр. розділу "Сонячна енергетика" Програми державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії та малої гідро- і теплоенергетики, затвердженої Кабміном України (постанова від 31.12.97 №1505).
В рамках виконання завдань цих програм підготовлено більш ніж 30 звітів по НДР на результатах яких базується дисертаційна робота, серед яких найважливіші за останні роки наступні: Провести аналіз стану розвитку систем сонячного теплопостачання в Україні і зробити пропозиції щодо їх використання у теплопостачанні об'єктів агропромислового комплексу (1996р., № ДР 0195V022472); Розробка розділів Програми державної підтримки розвитку нетрадиційних і відновлювальних джерел енергії (1997р., № ДР 0197V 013718); Провести дослідження, розробити технічні рішення і рекомендації щодо проектування, монтажу та експлуатації систем сонячного теплопостачання (1998р., № ДР 0195V 022043). Усі роботи виконувались під керівництвом автора або за його участю.
Мета роботи – розробка і науково-технічні обгрунтування нормативно-методичної бази ефективного впровадження сонячної енергії в системи теплопостачання об'єктів масового будівництва для зменшення витрат палива і забруднюючих викидів, яке базується на поєднанні засобів математичного і фізичного моделювання для виконання і узагальнення порівняльних розрахунків систем та обладнання, аналізу впливу окремих чинників та оптимізації техніко-економічних показників.
Досягнення поставленої мети вимагає вирішення наступних задач:
- розробки методики використання наявної довідкової бази кліматичних даних метеостанцій для розрахунків ССТ на всій території України;
- встановлення залежності кількості поглиненої сонячним колектором (СК) сонячної радіації від їхнього просторового положення і розробки рекомендацій по їхньому раціональному розташуванню на обмежених площах;
- дослідження впливу кліматичних умов, схемних рішень, режимів експлуатації і параметрів основного устаткування ССТ на їх теплопродуктивність і економію палива, що досягається;
- визначення техніко-економічної ефективності різних типів ССТ для підготовки рекомендацій по їх масовому впровадженню.
Наукова новизна досліджень і отриманих результатів полягає в наступному:
- вперше запропоновано при зонуванні території по кліматичним параметрам використовувати статистичні характеристики їх розподілу – для будь-якого пункту зони величина параметру повинна належати довірчому інтервалу значень, знайденому для пункта-представника даної зони;
- набули подальшого розвитку математичні моделі, які використовуються для розрахунків впливу взаємного затінення і залежності кількості падаючої і поглиненої сонячної радіації нерухомими СК при їх розташуванні паралельними рядами на горизонтальній площині обмеженої площі шляхом їх удосконалення для розрахунків нерухомих СК, які розміщуються на похилій площині, та для розрахунків СК із змінною орієнтацією;
- удосконалені можливості підвищення теплопродуктивності СК шляхом дискретної зміни їх орієнтації за рахунок вперше запропонованого використання оптичних властивостей світлопрозорого покриття СК для оптимізації просторових характеристик та режимів зміни орієнтації колекторів;
- при моделюванні теплофізичних процесів в елементах системи вперше для СК і теплообмінників, що поєднуються з баком-акумулятором, складено математичні моделі, які використовують e-NTU- метод для зменшення кількості змінних та спрощення моделей;
- набула подальшого розвитку методологія імітаційного моделювання експлуатаційних режимів роботи ССТ, що базується на поєднанні експериментальних та розрахункових досліджень, шляхом розширення досліджуваних типів систем та обладнання, для яких складено математичні моделі, кліматичних умов, режимів навантаження і т.і.;
- вперше показано, що довготерміновий (річний, сезоний) ккд використання енергії СР в ССТ головним чином залежить від схемних рішень, параметрів обладнання і режимів навантаження і з заданим ступенем точності для всіх кліматичних зон України можно вираховувати одне його значення;
- для оцінки техніко-економічної ефективності ССТ вперше запропоновано безрозмірний критерій, що враховує кліматичні умови місця будівництва, технічні характеристики системи, вартість будівництва і експлуатації, та вартість палива (енергії), що заміщується.
Практична цінність результатів роботи полягає в наступному:
- складено інженерні методики розрахунку і проектування ССТ, розроблені технічні рішення і розраховані експлуатаційні характеристики широкого класу ССТ, призначених для об'єктів масового будівництва і населених місць;
- для використання в розрахунках вихідних наявних метеоданих по сонячній радіації територія України розділена на 3 зони і для кожної зони визначені пункти-представники. Для цих пунктів по розробленій методиці складені "типові роки", метеодані яких використовуються як осереднені для розрахунків ССТ у всіх населених пунктах, розташованих у межах зони;
- для нерухомих СК розроблена методика і виконано розрахунки кількості падаючої і поглиненої сонячної радіації для кожного місяця в залежності від широти місцевості, кута нахилу, азимутальної орієнтації і взаємного розташування;
- для СК, що дискретно переорієнтуються, знайдені кути нахилу і режими роботи (час і кількість переорієнтувань) для різних періодів року, що забезпечують максимальну кількість поглиненої сонячної радіації і розроблена методика їх інженерного розрахунку;
- розроблені і опробовані технологічні схеми УСГВ з природною циркуляцією, які дозволяють значно збільшити їх теплопродуктивність і розширити обсяги застосування;
- розроблена методика техніко-економічної оцінки ССТ, що дозволяє на стадіях розробки технічного обгрунтування провести попередній розрахунок очікуваної ефективності їх впровадження.
Реалізація результатів роботи. Основні результати теоретичних і експеріментальних досліджень використані при підготовці розділу "Сонячна енергетика" Програми державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії та малої гідро- і теплоенергетики, затвердженої Кабміном України (постанова від 31.12.97 №1505), розробці 5 нормативно-методичних документів, а також 7 типових, 19 експеріментальних і декількох десятків індивідуальних проектів, по яких побудовано більше 50 об'єктів різного призначення, що дозволяє забезпечити економію 350 т.у.п. на рік.
Особистий внесок автора. Наукові положення, що містяться в дисертації, отримані здобувачем самостійно. При проведенні експериментальних досліджень та випробувань на математичних моделях, стендах чи в натурних умовах автору належать постановка задач та розробка методичної частини роботи. Роботи [5-9, 12-22] виконані автором особисто, у [4] автором написані розділи по методиках розрахунку сонячної радіації установок і систем, у роботі [1] також розділи з даними досліджень і узагальнення досвіду натурних випробувань, у [3,11] автору належить постановка і математичне формулювання задачі. Інші роботи написані разом з однаковою особистою участю.
Апробація роботи. Матеріали роботи доповідалися на: Конференції АН СРСР “Пути использования солнечной энергии” (Черноголовка, 1981); Науково-технічних семінарах Геліотехнічної секції НТТ енергетиків і електротехніків у Києві (1982, 1983, 1988), Ялті (1989); Засіданні робочої групи по акумулюванню тепла Комітету по Європейському співробітництву ЮНЕСКО (Москва, 1985); Комітеті СЕВ по науково-технічному співробітництву (м. Ашхабад, 1986); Міжнародної конференції “Управління енерговикористанням” (Київ, 1995); Засіданні Європейської федерації сонячної індустрії (ESIF) (м. Дортмунд, Німеччина,1996); Московському сонячному самміті (міжрегіональна конференція в процесі підготовки Всесвітньої сонячної хартії, м. Москва, 1996); Міжнародних конференціях “Enercon” (Київ 1996, 1997); Конференції “Енергетична безпека України” (Київ, 1998); Міжнародному семінарі "Солнечная энергетика для теплоснабжения" (м. Софія, Болгарія, 2000); Міжнародній конференції "Нетрадиційна енергетика в XXI столітті" (м. Ялта, 2000).
Публікації. По темі дисертації опубліковано 37 друкованих робіт, у т.ч. 2 монографії, 2 нормативних документи, 3 методичних посібника. Новізна технічних рішень захищена 2 авторськими свідоцтвами.
Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота скдадається з вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку літератури з 191 найменувань і 3 додатків. Обсяг дисертації 287 сторінок основного тексту, 86 рисунків, 49 таблиць і 82 сторінок додатків.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність і важливість роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новізну та практичну цінність отриманих результатів.
У першому розділі проаналізовано методи розрахунку систем сонячного теплопостачання, проведено аналіз принципових схем ССТ, їх взаємозв'язку із призначенням і умовами експлуатації. Проаналізовано методи математичного моделювання ССТ і розроблена блок-схема послідовності їх моделювання і розрахунку, розглянуті існуючі математичні моделі елементів систем і процесів, що протікають. Дано огляд літератури по методах представлення кліматичної інформації в розрахунках ССТ і проаналізовані аналітичні моделі розрахунку інтенсивності падаючої і поглиненої колектором сонячної радіації.
Показано, що :
- найбільш поширений за рубежем для знаходження довгострокових характеристик ССТ f-метод розрахунку не зручний для проведення оптимізації, вимагає великого обсягу обчислень і в останні роки все більш широке застосування знаходить використання регресійних рівнянь для моделей ССТ, методологія якого розвивається автором більш 20 років;
- в даний час досить докладно досліджено вплив кута нахилу СК і визначені оптимальні значення цих кутів для різних періодів експлуатації. Результати отримані лише для нерухомих СК на горизонтальній площині. При їхньому розміщенні на обмеженій площі довільного нахилу де виникає затінення робочої поверхні СК іншими колекторами, що залежить від їхнього взаємного розташування, часу доби і року, розрахункові формули відсутні.
У зв'язку з цим необхідно провести відповідні дослідження і підготувати рекомендації для розрахунку;
- одним із шляхів збільшення кількості падаючої на колектор СР і підвищення його теплопродуктивності може бути зміна режиму інсоляції СК, яке досягається зміною його просторового положення. Плоскі колектора, що використовуються в ССТ, як правило розміщаються нерухомо, на відміну від колекторів-концентраторів з системою стеження за Сонцем, яка дозволяє збільшити кількість падаючої радіації до 45% за рік. Механізми для постійного слідкування є дорогі і складні пристрої, які не знайшли поширення в установках сонячного теплопостачання. Постійне стеження за ходом Сонця тільки по азимутальному куту забезпечує зростання падаючої СР до 40%, але теж досить дорого коштує. Компромісом можуть бути періодичні зміни орієнтації (дискретне переорієнтування) СК при сталому куту його нахилу до горизонту.
Для реалізації цієї можливості необхідно провести дослідження залежності кількості СР, поглиненої СК, від періоду роботи, кута нахилу, азимута і режиму переорієнтування;
- використання в системах теплопостачання теплонасосних установок є перспективним напрямком, який дозволяє підвищити теплопродуктивність систем і продовжити період їх ефективної роботи. Парокомпресійні ТНУ, які знайшли найбільш широке поширення в таких системах, являють собою складне обладнання, детальне моделювання якого представляє важливу самостійну проблему. У літературі є приклади використання для імітаційних моделей ТНУ регресійних рівнянь залежності коефіцієнта перетворення j і теплопродуктивності Qстну як функцій Твип і Тк, але при обчисленні цих рівнянь використовується багато емпіричних наближених коефіцієнтів, що суттєво знижує достовірність отриманих результатів.
Доцільно використати таку форму емпіричної моделі але змінити шлях її знаходження, використовуючи для цього результати спланованих натурних випробувань на експериментальній стендовій установці;
- теплопродуктивність ССТ залежить від кліматичних чинників, що визначають теплопродуктивність СК, а для систем опалення ще і теплове навантаження. Ці чинники взаємозалежні а їхній вплив на роботу і ефективність системи є великим, що приводить до необхідності ретельно і комплексно підходити до використання кліматичної інформації при розрахунках параметрів обладнання, річної (сезонної) теплопродуктивності і інших довгострокових експлуатаційних характеристик ССТ у різних кліматичних умовах та потребує виконання спеціальних досліджень;
- проаналізовано методи узагальнення і осереднення в часі первинної кліматичної інформації, взаємозв'язок чинників і розміри помилок, внесених цими методами в розрахунки ССТ. Встановлено, що наведені в “Справочнике по климату” дані з надійністю 0,95 мають достатню для інженерних розрахунків похибку, що не перевищує 10% і, у свою чергу, обумовлює вимоги до точності використання кліматичної інформації в подальших розрахунках ССТ. Результати досліджень наведені в [1,2].
Методи розрахунку інтенсивності сонячної радіації, падаючої і поглиненої колектором, і шляхи її підвищення наведені в другому розділі. Оскільки в Україні реєстрація і накопичення необхідних даних по сонячному клімату здійснюється на 21 метеостанції, які розміщені в 13 областях, необхідно провести зонування території країни для розрахунків і проектування ССТ по величинам СР. На основі аналізу кліматичних даних проведено районування території України на 3 зони. В межах кожної зони річні значення інтенсивності сумарної сонячної радіації в різних пунктах відрізняються не більше ніж на 10%, що відповідає похибці, яка спричиняється осередненням значень протягом встановленого періоду. Для кожної зони по наявному обсягу кліматологічної інформації обрані пункти - представники. У 1 зону включається Пpикаpпаття, Волинь, Буковина, Поділля, північні і північно-східні області; пункт - представник - м. Київ; 2 зона включає Закаpпаття, центpальні і південні області (за винятком pайонів Бесаpабії); пункт - представник - м. Одеса; 3 зона включає Бесаpабію і АP Кpим; пункт - представник - м. Ялта.
Вибір кліматичної інформації для розрахунків експлуатаційних характеристик ССТ вимагає інших підходів, тому що осереднені метеорологічні параметри не враховують взаємозв'язок чинників (складових сонячної радіації, температури повітря тощо) між собою. У зв'язку з цим необхідно використовувати кліматичну інформацію у вигляді так званого “типового року”, що відбиває довгострокові особливості даного пункту але зберігає випадковий характер поєднання чинників між собою. Запропонована методика його упорядкування, що полягає у виборі по кожному пункту з реальних даних різних років окремих місяців, сумарні показники яких відповідають середнім багаторічним. Для пунктів-представників кожної зони за багаторічними даними метеостанцій Никитський сад (м. Ялта), Обсерваторія (м. Одеса) і Бориспіль (м. Київ) складені “типові роки”, що надалі використовуються для моделювання і розрахунків ССТ.
Наявність інформаційного базису у вигляді “типового року” дозволило провести порівняльну оцінку різних методів осереднення метеопараметрів. Використовуючи кліматичні дані м. Ялти, виконано розрахунки теплопродуктивності УСГВ за рік та міжопалювальний сезон по середній добі, що розрахована для кожного місяця; по середньо-місячних значеннях; по середньодобових значеннях кожного місяця. Порівняння цих результатів з розрахунком за даними “типового року” показали, що жоден із розглянутих методів осереднення не може використовуватися для розрахунків довгострокових характеристик систем з похибкою менше 10%, яка досягається використанням "типового року". Для систем без дублера, для яких характеристики обладнання вираховуються за данними найгіршого місяця з періоду роботи, можна використовувати середньомісячні значення інтенсивності прямої і дифузної СР на горизонтальну поверхню, наведені в “Справочнике по климату” для деяких географічних пунктів або прийняти дані пункта-пpедставника даної зони.
Розроблено методику обчислення значень інтенсивності складових СР на довільно розташовані поглинаючі поверхні. Для всіх місяців року визначені періоди часу, що відповідають оптимальним кутам падіння сонячного променя на колектор, і для них обчислені осереднені величини “коефіцієнтів положення” P кожної складової СР, що зв'язують щільності їх потоку на горизонтальну і похилі поверхні, і коефіцієнтів R, що враховують відхилення орієнтації СК від південної. Це дозволило одержати рівняння для розрахунку інтенсивності СР, що падає і поглинається колекторами будь-якого просторового положення, пристосовані для інженерних розрахунків:
qпад = PsRpSгор + PDDгор + Pr(Sгор + Dгор)а* (1)
qпогл = 0,951RPs(ta)sSгор + (ta)D (PDDгор + Pr(Sгор + Dгор)а*) (2)
Проведені дослідження роботи СК із дискретною переорієнтацією грунтуються на запропонованому автором режимі зміни орієнтації, який використовує особливості пропускання СР склом і полягає в утриманні кута падіння сонячного променя на колектор у межах 30°, що забезпечує максимальне значення коефіцієнта пропускання склом СР. Коли кут падіння променя досягає 30°, СК повертаються за Сонцем і встановлюються на новий азимут, який знову утримає необхідний кут падіння. Таким чином крім збільшення потоку падаючої СР досягається постійне забезпечення максимального коефіцієнта її пропускання.
Проведено розрахунки величин qпад для зимового (листопад-лютий), весняно-осіннього (березень, квітень, вересень, жовтень) і літнього (травень-серпень) сезонів і за рік у цілому. Їхні результати показали, що величини qпад набагато менше залежать від кута нахилу b, ніж для нерухомих СК. Оптимальні значення qпад досягаються в залежності від широти місця q і сезону роботи установки при наступних кутах: b= q + 5° - для літнього; b = q + 10° - для цілорічного; b = q + 15° - для зимового, а відхилення ± 5° від оптимального кута мало впливають на продуктивність.
Запропоновано методику розрахунку інтенсивності прямої СР, що падає на СК змінної орієнтації, яка використовує розміри її інтенсивності S^ на поверхню перпендикулярну променю, з понижуючим коефіцієнтом Р^ (рис. 1). У цьому випадку вирази (1, 2) мають вигляд:
qпад = P^S^ + PDDгор + Pr(Sгор + Dгор)а* (3)
qпогл = 0,951P^ S^(ta)s + (ta)D (PDDгор + Pr(Sгор + Dгор)а*) (4)
Порівняння сум qпад для колекторів, що переорієнтуються 5 разів на день з тими, що стежать за Сонцем і з нерухомими показало, що дискретна зміна орієнтації дозволяє СК отримати більш ніж 90% від максимально-можливої за рік СР, у той час як нерухомі одержують до 70% (для літнього сезону роботи - до 60%). Це робить запропонований шлях збільшення продуктивності СК досить перспективним.
Рис.1. Порівняння розрахункових значень qпад для систем колекторів,
що стежать (1), дискретно-орієнтуються (2) і нерухомих (3)
При проектуванні ССТ колектори часто встановлюються окремими секціями на горизонтальній або похилій площині, можливо навіть обмеженій (наприклад, дах будинків). Таке рішення не потребує складних опорних конструкцій, що здорожчують систему, однак, зменшується можлива сумарна площа СК. Автором розроблено математичний опис цієї задачі для довільних кутів нахилу СК і площини розміщення та знайдені залежності значень складових потоку СР від просторового і взаємного розташування нерухомих СК або тих що переорієнтуються. Знайдені аналітичні залежності використовувалися також при розробці СК, сполучених із зовнішнім огородженням будинків.
Введення понять “фактор заповнення” fзап (що дозволяє знаходити сумарну площу СК, які можна в даний спосіб розташувати на даній площині) і “фактор незатінення” fнезат (відношення сум СР падаючої на затінені та незатінені СК) дозволяє провести розрахунок площі СК що затінюється по виразах (1, 2) або (3, 4). Добуток цих факторів дозволяє визначити робочу площу СК у залежності від площі розміщення Fкр і розташування колекторів:
А = Fкрfзапfнезат (5)
і вирішувати задачу економічної оптимізації їх розміщення.
Результати досліджень опубліковані в [3,5,9,11,15,18,25].
У розділі 3 наведена методика розрахунків, які використовуються при математичному моделюванні, процесів перетворення та передачи енергії в установках сонячного теплопостачання. При моделюванні теплофізичних процесів в елементах системи складено математичні моделі які використовують e-NTU метод для зменшення кількості змінних та спрощення моделей (див. табл.1), причому для СК і теплообмінників, що поєднуються з баком-акумулятором, це вперше розроблено автором.
Для знаходження залежності коефіцієнта перетворення ТНУ від Твип і Тк була створена лабораторна установка сонячного теплопостачання з компресійним тепловим насосом (на базі холодильної машини ХМ-ФВ-20), СК площею 8,4 м2, електроводонагрівачем, приладами захисту та автоматики. Контур навантаження включав опалювальні прилади та БА.
Дослідження проводилися циклами по 3-5 днів щомісяця в зимовому і літньому режимах загальним обсягом біля 400 годин. У кожній точці проводилося 3 досліди, всі параметри вимірювалися одночасно, розраховувались оцінки похибок і довірчі інтервали параметрів. Точки вимірів визначались, використовуючи метод ортогонального центрального композиційного плану. Дослідження виконувалися при різних рівнях сонячної радіації з температурами випаровування Твип = 5 ё 45°С и конденсації Тк = 40 ё 95°С на холодоагентах R12 і R114. Встановлені її фактичні характеристики, у т.ч. отримані значення коефіцієнта перетворення j =1,7ё3,5 у зимовому режимі і 3,6 - 5,0 у літньому.
У результаті обробки експериментальних даних у діапазоні температур випару Твип = 15 ё 30 °С и конденсації Тк = 50 ё 70°С отримані залежності дійсного коефіцієнта перетворення j як функції Твип і Тк:
j = 2,85 + 1,34*10-2Твип + 0,9*10-2Тк + 2,3*10-4 - 0,2*10-4- 1,78*10-4 Твип Тк (6)
Перевірка значущості коефіцієнтів регресійного рівняння за критерієм Стьюдента і адекватності моделі за критерієм Фішера визначила, що з заданою надійністю (Р = 0,95) знайдене рівняння може використовуватися як імітаційна модель ТНУ.
Наявність цієї моделі дозволила скласти і розв'язати системи рівнянь, які описують роботу СТНУ в обох можливих режимах - з постійною температурою конденсації (для гарячого водопостачання) та з постійною витратою теплоносія, що нагрівається (опалення), які також наведені в табл. 1.
Для включення СБА в математичну модель ССТ потрібно описати його теплообмін з грунтом і, для виключення початкових умов, знайти число річних циклів розрахунку,
Таблиця 1 - Розрахункові схеми і обчислювальні формули для елементів ССТ
Наймену-вання Теплова схема Вихідні дані Шукані величини Розрахункові формули
Сонячний колектор (СК) Твих ск qпад То Твхск; Wck qпад(t); To(t); f'U; ta; Твх ск(t); A; eск; 1 режим - Wck= const; 2 режим - Твих= const eск Тр Твих Wск eск= 1-ехр(- NTUск) = = (Твих ск-Твхск) /(Тр - Твх) NTUск = ¦ўUA/Wск. Тр = qпад(ta)/U + To Твих(t) = Твх + eск(Тр - Твх) Wск(t)=-f'UA(ln(Тр-Твих)/(Тр-Тв))-1
Проточний тепло- обмінник (ПТО) Твихск Твхск Тв Wск Тхв, Wв Твих ск(t); Wв(t); Тхв; Wск; eпто Тв(t); Твх ск(t) Тв(t) = Тхв + (Твих ск - Тхв)Wmin/Wв Твхск(t)= =Твихск- eпто(Твихск - Тхв)Wmin/Wск
Ємнісний теплообмінник (ЄТО) Wв Твихск Тв Тба Wба То Твх, Wск Тхв Твих ск(t); То(t); Wв(t); g; Wба ; eпто; Тхв Тв(t); Твх ск(t) Тв(t) = Тба(t) =Тmax-Тначба*exp(-At) Tmax = A/B A = Wв/Wба + g/Wба + eпто Wск/Wба B= WвТхв/Wба + gТо/Wба + + eптоТвих ск Wск/Wба Твх ск(t) = Тв + (Твих ск - Тв) eєто
Бак-акумулятор (БА) То Твихск Тба Тв Wск Wба Wв Тхв Твих ск(t); То(t); Wв(t); Тнач ба; g; Wба; Тхв Тв(t) Тв(t)=Тба(t)=Тmax - Тнач ба*exp(-At) Tmax = A/B A = WB/Wба + g/Wба + Wск/Wба B= WBТхв /Wба + gТо/Wба + + Твих ск Wск/Wба
Тепло-насосна установка (ТНУ) Твихск Тв ТНУ Твх ск Тхв Wск Wв Nе eвип; eк; DТк; DТвип; Твих ск(t); Wск; 1 режим - Тв = const; 2 режим - Wв = const j Nе(t) Wв(t) Тв(t) j = 2,85+1,34*10-2Твип + 0,9*10-2Тк + 2,3*10-4- 0,2*10-4- - 1,78*10-4 Твип Тк; Nе(t) = Wв/j( Тв - Тхв); Wв(t) = = jWск(Твихск-Твх ск)/(Тв-Тхв)(j-1) Тк = Тв - DТк; Твип = Твих ск - DТвип/(1- eвип); Твх ск (t) = Твип + DТвип Тв(t) = Тк + DТк; Тк = Тхв - DТк/(1 - eк)
достатнє для встановлення регулярного режиму руху теплового фронту від бака в грунт і назад. Автором використана кінцево-різницева схема опису процеса і, у припущенні симетричності задачі та з урахуванням ряду допущень, підготовлена програма, що використовує систему рекурентних рівнянь для проведення циклічних розрахунків теплових потоків між СБА і грунтом. Результати розрахунку для середніх параметрів грунта (r = 700 кг/м3, l = 0,51 Вт/(м2*К), с = 2,0 кДж/(кг*К) наведено на рис.2.
Рис.2. Результати розрахунку: а) середнього температурного поля грунту за стінкою бака-акумулятора; б) температури води в баку-акумуляторі
Розроблені моделі та методи розрахунку окремих елементів ССТ використано для моделювання і подальших розрахунків системи в цілому. Подібні методики, доведені до рівня номограм, можуть використовуватися в першу чергу для проведення інженерних розрахунків найпростіших УСГВ і сонячних приставок до котелень. До них відносяться і двоконтурні УСГВ з проточним ТО, для яких проведено теоретичний аналіз і розроблена методика розрахунку, яка дозволила розкрити і пояснити встановлені в огляді протиріччя між наявними математичними описами таких систем, відповідно до яких при Wв>>Wск теплообмінник не впливає на теплопродуктивність системи, і результатами експериментальних досліджень, у котрих ця залежність спостерігалася.
Використовуючи терміни e-NTU методу і виражаючи інтенсивність СР через рівноважну температуру СК, можна записати рівняння для обчислення Qсст, що включать фактор fт, який враховує вплив теплообмінника:
Qсст = fт (7)
де fт = ()-1.
При гранично великих площах СК і ТО максимально можливу теплопродуктивність системи при наявних метеоумовах знаходимо з виразу:
Qmax = Wв(Тр - Тх.в.), (8)
а відношення fc = Qсст /Qmax визначить ефективність даного рішення.
Графіки значень fT, fR і їхні добутки наведені на рис. 3 і пояснюють характер зміни теплопродуктивності УСГВ, отриманий експериментально. При Wск < Wв величина fT @1, однак мала величина fR, тобто причиною малої продуктивності є не наявність теплообмінника, а мала витрата теплоносія через СК. При Wск > Wв витрата в контурі достатня (fR @ 1), але починає позначатися вплив теплообмінника (fT < 1). Оптимальною є рівність витрат теплоносія і води, що забезпечує максимальний розмір fc. У цьому випадку ефективність системи буде дорівнювати:
fc = (9)
Рис.3. Графіки залежності розмірів ft (A), fR (Б) і fT fR (B) від відношення витрат води і теплоносія при різних значеннях NTUск
По знайдених залежностях побудовано графіки, які дозволяють визначити величини A і Fпто, що забезпечують необхідне значення fc. Вибір однієї пари з множини підхожих визначається або мінімальною вартістю системи, або завданням одного з цих значень. Зокрема знайти по заданим fc і eпто площу А можна з виразу:
А = (10)
Кількість виробленого системою за рік (сезон) тепла за рахунок використання СР завжди можна представити у вигляді:
Qсст = h*А* qпад (11)
і звести задачу обчислення теплопродуктивності системи до попереднього знаходження залежності середньорічного (сезонного) ккд від параметрів системи. Ця залежність може бути визначена в результаті розрахунків показників роботи ССТ за необхідний період на математичних моделях.
У загальному вигляді математичні моделі функціювання ССТ складаються з трьох блоків: падіння сонячної радіації на СК, перетворення сонячної радіації у теплову енергію теплоносія та її подальше накопичення і споживання. Вони об'єднуються однією незалежною змінною - часом. Методи розрахунку сонячної радіації, яка надходить на СК, наведені у розділі 2, моделі елементів наведені вище, а методи розрахунку споживаної енергії в залежності від часу, температури води і навколишнього повітря широко відомі. Таким чином ми маємо все необхідне для складання повних моделей ССТ.
При їх підготовці на підставі рівнянь, що описують протікання фізичних процесів у кожному елементі системи, складаються так звані розрахункові процедури, що моделюють їхню роботу та забезпечують можливість поелементної оптимізації. Вони об'єднуються з алгоритмами контролю і керування в єдину модель системи, дослідження котрої і дозволяє провести необхідну оптимізацію.
В загальному вигляді послідовність необхідних кроків наступна:
- розробляється математична модель для кожного типу систем з використанням розрахункових формул для окремих елементів, що дозволяє при розрахунках варіювати їхні параметри;
- модель перевіряється і, при необхідності, коригується за результатами натурних досліджень для встановлення її адекватності дослідним даним;
- на откоригованій моделі, використовуючи методи планування експерименту, проводяться розрахунки довгострокових характеристик ССТ для різних схемних рішень, графіків навантажень і кліматичних умов і знаходяться рівняння регресії, що описують статистичні зв'язки цільової функції з величинами параметрів, які використовуються як імітаційні моделі.
Визначені системи, моделювання і дослідження яких покриває практично все коло можливих рішень ССТ для об'єктів масового будівництва і у яких задіяна майже вся номенклатура використовуваного обладнання: УСГВ з секційним баком-акумулятором, УСГВ з природньою циркуляцією, сонячні приставки до котелень і сонячно-електричні системи теплопостачання, сонячно-теплонасосні системи теплопостачання, у тому числі з СБА.
Запропонована модель відпрацьовувалась по результатам натурних досліджень експериментальної УСГВ жилого дома (площа СК - 76 м2, об'єм 6 секцій БА - 3,4 м3), які були проведені в різних режимах і схемних рішеннях. Знайдені статистичні характеристики розподілу параметрів та їхні довірчі інтервали дозволили, після порівняння розрахункових і експериментальних даних, підтвердити адекватність описання процесів в розроблених моделях ССТ натурним даним, а отримані характеристики розподілу експериментальних величин ккд дозволяють використовувати їх для інших досліджуваних систем при встановленні відповідності дослідних та розрахункових даних. Виконані дослідження опубліковані в [1,4,7,8,10,26-27] і дозволили провадити подальші дослідження УСГВ та ССТ на математичних моделях, чому присвячен розділ 4.
Виконані попередньо розрахунки дозволили виключити з числа чинників впливу деякі конструктивні і режимні параметри (невеликі коливання технічних характеристик СК, витрати теплоносія і т.і.) і досліджувати вплив на теплопродуктивність тільки основних з них - питомих значень площі СК, ємності БА і площі ТО (віднесених до одиниці потужності установки, що вимірюється в ГДж/доб).
Для розрахунків систем на моделях вихідними даними є кліматична інформація (у вигляді “типового року”), умови експлуатації та режими навантаження, а також параметри обладнання і системи, необхідні для її розрахунку. Результатами обчислень є величини Qсст і Qд, ккд і коефіцієнт покриття навантаження за рахунок енергії СР, коефіцієнти перетворення ТНУ, тепловтрати СБА і інші.
Для досліджуваних систем у межах варіювання змінних параметрів були сплановані розрахункові точки, проведені розрахунки для 3 кліматичних зон і після статистичної обробки їхніх результатів отримані осереднені регресійні рівняння, які є імітаційними моделями системи для проведення оптимізаційних розрахунків на всій території країни. Результати таких розрахунків для досліджених типів УСГВ і ССТ наведені у таблиці 2.
Таблиця 2 - Розрахункові рівняння і межі їхнього застосування для досліджуваних систем та їх розрахункові питомі потужності
Пара- Основний Інтервал Розрахункові рівняння
Метр рівень варіювання
УСГВ із секційним баком-акумулятором і дублером (1 ГДж/доб)
100 м2 50 м2 h=0,360-0,085 +0,042 +0,0192-0,024 2+0,004
7,5 м3 5 м3
УСГВ із постійною витратою і нагріванням води до двох температур (1 ГДж/доб)
100 м2 50 м2 h=0,396 –0,093 +0,046 +0,0212-0,0262+0,004
7,5 м3 5 м3
УСГВ із відбором води постійної температури без дублера (1 ГДж/доб)
100 м2 50 м2 h = 0,183 + 0,067 - 0,017 2 - 0,035 +0,024пто
пто 1,25 м2 1 м2
Сонячні приставки до котелень (1 МВт потужності котельні)
170 м2 150 м2 h = 2*10-6 2 – 0,0014 + 0,5841
СТНУ гарячого водопостачання (10 ГДж/доб)
420 м2 80 м2 h = 0,517 – 0,021 - 0,025 к - 0,004 к
к 65 °С 5 °С j = 3,695 + 0,208 - 0,343 к - 0,110 к
СТНССА (1 МВт)
4000 м2 2000 м2 h = 0,370 - 0,117 + 0,041 + 0,029 - 0,012 +
14000 м3 8000 м3 + 0,016 - 0,022
тну 700 кВт 100 кВт
Примітка: ,, тну, к, пто - нормовані значення параметрів, що варіюються
Виконана на стендовій СТНУ експериментальна перевірка адекватності прийнятого модельного опису дозволила застосувати його для дослідження на математичних моделях СТНУ іншого класу потужності. З цією метою, використовуючи робочі графіки для компресорів типу П110, що працюють на холодоагентах R12, R142, R114, по описаній методиці знайдені залежності j = j (Tвип,Tк), Qстну = Q(Tвип,Tк), що разом з описами інших елементів системи дозволяють скласти її модель для розрахунку довгострокових характеристик СТНУ і, вирішуючи спільно систему рівнянь, знайти аналітичні вирази для Твип при Тк = const, по якім визначається Твх і далі Твих , h, Qстну,Wв.
При використанні цих виразів як основи алгоритму була складена програма для обчислення показників СТНУ гарячого водопостачання. Результати розрахунку (табл.2) показують, що середньорічний коефіцієнт перетворення j знаходиться у межах 3...4,5 і, з точки зору використання первинного палива, цілком виправдовує застосування електроенергії для теплопостачання.
Середньомісячні значення для усіх варіантів відрізняються від середньорічних не більш ніж на 10...15%. ККД сонячного теплоприймального контуру набагато менше, ніж для звичайних двоконтурних систем, залежить від питомої площі колекторів, змініючись в інтервалі 0,52...0,48, що на 15...25% вище ккд двоконтурних УСГВ без ТНУ, а теплопродуктивність СТНУ в розглянутому інтервалі значень А зменшується з ростом Тк.
Розробка і веріфікація імітаційної моделі ТНУ дозволяє також підготувати математичну модель і провести дослідження систем теплопостачання із сезонним акумулюванням теплоти, що включають СК, ТНУ, СБА, дублер, які можуть призначатися для житлових селищ і комплексів забудови, де не має розвитої інженерної інфраструктури.
На рис. 4 наведено принципову схему, що ілюструє основні напрямки передачі потоків теплоти. Гнучка схема розподілу теплоти по елементах дозволяє
