В статье показан расчет систем горячего водоснабжения с использованием солнечной энергии на основе теоретических исследований преимуществ систем горячего водоснабжения.
Ключевые слова: анализ, теплоснабжение, горячее водоснабжение, солнечная радиация, солнечная энергия, солнечный коллектор.
Во многих районах республики Узбекистан с большим числом солнечных дней и жарким климатом использование солнечной энергии для нагрева воды оправдано.
Общая продолжительность возможного солнечного сияния на равнинах Узбекистана составляет 4455–4475 часов в год. Фактически годовое число солнечного сияния здесь достигает 3000–3100 часов, что составляет 65–70% от возможного. Зимой над территорией Узбекистана формируются воздушные фронты умеренных широт, в результате чего умеренные воздушные массы сталкиваются с тропическими массами, образуются циклоны, а затем выпадают осадки. В связи с этим, представляет интерес реализация горячего водоснабжения потребителей на основе солнечных коллекторов.
В настоящее время несколько миллионов жилых домов и предприятий уже используют солнечные системы нагрева воды. Это достаточно экономичный и надежный вид горячего водоснабжения [1]. Горячее водоснабжение — наиболее распространенный вид прямого применения солнечной энергии. Типичная установка состоит из одного или более коллекторов, в которых жидкость нагревается на солнце, а также бака для хранения горячей воды, нагретой посредством жидкости-теплоносителя. КПД тепловых солнечных систем достигает в настоящее время 50–90%.
Коллекторы, бак-аккумулятор и соединительные трубопроводы системы заполнены холодной водой. Солнечное излучение, проходя через прозрачное покрытие (остекление) коллектора нагревает его поглощающую панель и воду в её каналах. При нагреве плотность воды уменьшается, и нагретая жидкость начинает перемещаться в верхнюю точку коллектора и далее по трубопроводу — в бак-аккумулятор. В баке нагретая вода перемещается в верхнюю точку, а более холодная вода размещается в нижней части бака, т. е. наблюдается расслоение воды в зависимости от температуры. Более холодная вода из нижней части бака по трубопроводу поступает в нижнюю часть коллектора.
Расчет экономической эффективности солнечной установки основан на оценке средних значений солнечной радиации в месте установки системы, а также на правильном определении требуемой производительности, схемно-структурного состава установки, и стоимости отдельных элементов [2]. В условиях Узбекистана в качестве индивидуальной установки плоского горячего водоснабжения чаще всего применяется несколько установок. На рис. 1. представлен плоский солнечный коллектор.
Рис. 1. Экспериментальная установка системы горячего водоснабжения с использованием плоского солнечного коллектора
Для расчета системы горячего водоснабжения необходимо задать исходные данные, определяющие требования к системе горячего водоснабжения индивидуального жилого дома [3]. Для дома, расположенного в г. Карши, в котором проживает семья из 6-х человек, можно принять следующие исходные данные:
Количество жильцов 1 дома, 6 чел; Среднее суточное потребление горячей воды, N/сут-50 л/чел; Коэффициент запаса kз-1,5; Температура горячей воды, tгор=60 0С; Средняя температура холодной воды в зимний период, tхол=10 0С; Географическое положение (г. Карши) – географическая широта – 39 0с.ш.; Сезонность работы установки — полдень:
Нахождение объема теплообменного бака и температурного перепада:
Объем бойлера определяется по формуле
V = kз · l · n (1)
и для 6-ти человек составляет V = 1,5 · 6 · 50= 300 л
Температурный перепад, т. е. разность температур воды на входе и на выходе теплообменного бака находится по формуле
Δt= tгор — tхол (2)
и составляет Δt = 60–10 = 50 0С
Определение количества энергии для нагрева воды: Для нагрева 1 литра воды на 1 градус необходимо затратить энергию, равную 1 Ккал, а для нагрева V литров на Δt градусов нужно затратить
Q = V · Δt = 300 · 50 = 15000 кВт
Для перевода килокалорий в киловатт-часы воспользуемся соотношением 1 кВт · ч = 859,8 Ккал, поэтому
Q= 15000/859,8=17,445 кВт/ч
Зная количество энергии, нужной для нагрева воды 17,445 кВт/ч в 0,5 суток, найдем годовое потребление 17,445 кВт/ч · 365 дней /0,5 = 12734,85 кВт/ч.
Исходя из этих данных определим, сколько мы экономим в год
1 кВт = 250 сум; 12734,85 кВт/ч за год · 250 сум = 3183712,5 сум в год.
Определим количество условного топлива, нужного для обогрева
12734,85 кВт/ч за год *0,3445 = 4387,1 тонн условного топлива.
Предложена упрощенная методика для оценочного расчета экономической эффективности установки горячего водоснабжения. После проведения оценочного расчета экономической эффективности и грубого определения параметров солнечной установки горячего водоснабжения следует провести теплотехнический расчет этой установки и уточнить ее технические параметры.
Литература:
- Бекман У., Клейн С., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения. — М.: Энергоиздат, 1982. — 80 с.
- Баскаков А. П., Мунц В. А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебник для вузов.— М.: Издательский Дом «БАС TET», 2013.— 368 с. (Высшее проф. образование: Бакалавриат).
- Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы: учеб. пособие/пер. с англ. под ред. С. П. Малышенко, О. С. Попеля. — Долгопрудный: Интеллект; М.: Изд. дом МЭИ, 2010. — 704 с.
