Библиографическое описание:

Имомов Ш. Б., Халикова Х. А., Хамраев С. И. Модель динамического режима системы солнечного отопления с водяным аккумулятором тепла // Молодой ученый. — 2012. — №6. — С. 28-31.


Приведена модель динамического режима теплового баланса системы солнечного отопления, включающего солнечный коллектор-воздухонагреватель, водяной аккумулятор тепла и рефлекторы, устанавливаемые с северной стороны здания.

В работах [1, 2, 3] рассмотрена система солнечного отопления с рефлекторами, устанавливаемыми с северной стороны здания, имеющая солнечный коллектор-воздухонагреватель (СК) и водяной аккумулятор тепла (АТ). АТ представляет собой систему пластиковых бутылок (ПБ) заполненных водой [3].

При разработке математической модели динамического режима теплового баланса СК приняты следующие допущения (рис. 1):

– теплофизические параметры воздуха принимаются постоянными;

– температура наружной 1 и внутренней 2 поверхностей теплоприемника СК отличаются не более 0,1…0,2 оС и принимаются равными tm (рис. 2);








Врезка1




Рис. 1. Схема составляющих теплового баланса СК и АТ:

1…4 – слои насадки ПБ в АТ; 5 – СК – воздухонагреватель;

6 – помещение; 7 и 8 – движение воздуха при зарядке и разрядке АТ

Система уравнений математической модели динамического режима теплового баланса СК будет иметь вид

= αк1 Fm (tmtк1) + αк3 Fm (tк1t3); (1а)

= αк2 Fm (tmtк2) + αк5 Fm (tк2t5); (1б)

= Gк1 Ср (tкк1 – tв); (1в)

= Gк2 Ср (tкк2tв); (1г)

= + ; (1д)

+ = Qпг ; (1е)

где Qk1 и Qk2 – тепло, поступаемое из 1 и 2 каналов СК, Вт;

Qkс – суммарное тепло, поступаемое из каналов СК, Вт;

Fm – площадь поверхности теплоприёмника, м2;

Gк1 и Gк2 – массовый расход воздуха в 1 и 2 каналах СК, кг/ч;

Ср – удельная теплоёмкость воздуха, Дж/(кг К);

Qkтп – теплопотери в СК, Вт;

Qпг – тепло солнечного излучения, поглощенное теплоприемником, Вт;

tв и tн – температура внутреннего и наружного воздуха, оС;

tк1 и tк2 – среднемассовая температура воздуха в 1 и 2 каналах СК;

tкк1 и tкк2 температура воздуха на выходе 1 и 2 каналов СК;

t1,…, t6 – температура поверхностей 1…6;

tт – температура теплоприемника СК;

αк1,…, αк6 – коэффициенты конвективной теплоотдачи на поверхностях

1...6 СК, Вт/(м2 К);

αи1,…, αи6 – коэффициенты теплоотдачи излучением на поверхностях

1…6 СК, Вт/(м2 К);

δк – ширина канала СК, м;

τ – время, ч.





Врезка2Врезка3

Врезка4

Врезка7Врезка8Врезка6Врезка5Врезка9Врезка10

Врезка12Врезка11

Врезка13

Врезка15Врезка16Врезка18Врезка17Врезка14

Врезка20Врезка19


Врезка21Врезка22Врезка23


Врезка24


Рис. 2. Схема составляющих теплового баланса СК – воздухонагревателя:

1 и 2 – внешняя и внутренняя поверхности теплоприемника;

3 и 4 – внутренняя и внешняя поверхности остекления светопроёма;

5 и 6 – внутренняя и внешняя поверхности ограждения СК


Уравнения (1а) и (1б) описывают процессы конвективного теплообмена на внутренних поверхностях каналов СК. Уравнения (1в) – (1е) выражают тепловой баланс СК.

Граничными условиями для уравнений (1а) – (1е) являются уравнения теплового баланса на поверхностях СК:

αк1(tm + tк1)+ αи1(tmt3) + αк2(tm + tк2)+ αи2+) (tmt5) ; (2а)

αи1 (tm – t3) + αк3 (tк1 – t3) = (t3 – t4) = (αк4 + αи4) (t4 – tн) ; (2б)

αи2 (tm – t5) + αк5 (tк2 – t5) = ( t5 – t6) = (αк6+ αи6)(t6 – tв) . (2в)

Солнечное излучение поглощаемое теплоприемником СК

Qпг = qпр k Fm ; (3)

где qпр плотность суммарной солнечной радиации, прошедшей в СК, Вт2;

k коэффициент поглощения солнечной радиации теплоприемником.

Теплопотери в СК (рис. 1)

Qkтп = Qkтпв + Qkтпн. (3а)

Тепловая эффективность СК определяется коэффициентом эффективности [4]:

Kэ = 1 / (1 + Кск / αк) ; (4)

где Кск – приведенный коэффициент теплопередачи СК, Вт/(м2 К);

αк – коэффициент теплоотдачи на поверхности теплоприемника СК.

Коэффициент полезного действия СК определяется отношением получаемого тепла и прошедшей солнечной радиации:

ηск = (Q1+Q2) / Qпр ; (4а)

где Qпрсуммарной солнечной радиации, прошедшей в СК.

Для модели АТ принимаем следующие условия:

– теплофизические параметры воды принимаются постоянными;

– поток воздуха движется в слое насадки сверху вниз как при зарядке, так и при разрядке; слоевая насадка имеет п=4 слоя ПБ, высотой hн [3];

– насадка попеременно нагревается от tmin до tmax в период инсоляции – зарядки аккумулятора, охлаждается от tmax до tmin в период разрядки.

– за счет естественной конвекции температура воды в ПБ распределяется равномерно по ее объему; в качестве температуры насадки принимается среднемассовая температура воды в ПБ tн.

Для i-ного слоя насадки АТ баланс энергии при нагревании выражается уравнением [5]:

ρн СнVн= αv Vн (tвitнi) – Qнтni ; (5)

Температуру теплоносителя на выходе из i-ного слоя tвi можно определить из уравнения

mв ср (tвi-1 – tвi) = αvVн (tвi-1 – tнi) . (6)

Отюда получим

tвi = tвi-1 – (tвi-1 – tнi) . (7)

где Vн = Fн hн – объем слоя насадки ПБ, м3;

Fн – площадь поперечного сечения теплового аккумулятора, м2;

hн – высота слоя насадки ПБ, м.

ρн – плотность воды, кг/м3;

Сн – удельная теплоемкость воды, Дж/кг;

αv – объемный коэффициент теплоотдачи на границе насадка-воздух,

Вт/(м3 К);

tн температура насадки, оС;

Qнтn – теплопотери в насадке ПБ, Вт.

Уравнения (5) и (7) представляют собой две системы из п уравнений (одна система алгебраических уравнений, другая – дифференциальных) с п неизвестными температурами насадки и п неизвестными температурами теплоносителя.

Объемный коэффициент теплоотдачи определяется следующим соотношением

αv = α Fн / Vн ; (8)

где α – поверхностный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К).

Тепловой баланс АТ

ma Сн = Qк1+ Qк2 + Qo + Qатпв+ Qатпв ; (9)

где maмасса АТ, кг;

ta среднемассовая температура АТ, оС;

Qoколичество тепла, передаваемого на отопление;

Qатпв+Qатпн – теплопотери в АТ (рис. 1).

Приведенная модель теплового баланса СК и АТ определяет тепловой баланс (температурный режим) рассматриваемой системы солнечного отопления.

Расчет АТ на аккумуляцию более 50% прошедшей солнечной радиации, в период её максимального поступления, является экономически нецелесообразным. Увеличение мощности АТ требует соответствующих капитальных затрат, при этом из-за дефицита солнечного тепла в отопительный период тепловой аккумулятор на 1/2…2/3 будет работать вхолостую. В отопительный период максимальное поступление солнечной энергии в СК в марте и апреле в г. Карши соответственно Qпр=90,6 МДж/день и Qпр=81,4 МДж/день. Среднее значение Qпр=86 МДж/день. Отсюда 50 % составляет Qпр=43 МДж/день. Таким образом, расчетная мощность аккумулятора тепла =43 МДж/день.

Как показывают расчеты, для аккумуляции такого количества тепла необходимо увеличить температуру воды в АТ на величину Δtн = 13…14 оС.


Литература:

  1. Имомов Ш.Б., Ким В.Д. Тепловой баланс здания с системой солнечных рефлекторов, устанавливаемых северной стороны // Гелиотехника. 2008. №3. С.77-82.

  2. Имомов Ш.Б., Ким В.Д. Экспериментальное исследование теплового режима здания с системой рефлекторов, устанавливаемых с северной стороны // Гелиотехника. 2009. №2. С.30-33.

  3. Имомов Ш.Б., Ким В.Д. Гидродинамическая характеристика слоя пластиковых бутылок, как элементов водяного аккумулятора тепла // Гелиотехника. 2010. №4. С.28-33.

  4. Андерсон Б. Солнечная энергия (Основы строительного проектирования). -М.: Стройиздат, 1982. -375 с.

  5. Даффи Дж.А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. –М.: Мир, 1977, –420 с.


Обсуждение

Социальные комментарии Cackle