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.


Основные термины (генерируются автоматически): теплоприемника СК, теплового баланса СК, солнечной радиации, режима теплового баланса, динамического режима теплового, каналах СК, солнечного отопления, каналов СК, северной стороны здания, температура теплоприемника СК, слоя насадки ПБ, поверхностей теплоприемника СК, коэффициент теплопередачи СК, поверхностях каналов СК, водяной аккумулятор тепла, тепловой баланс СК, суммарной солнечной радиации, поверхностях СК, поверхности теплоприемника СК, теплоприемником СК.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос