Солнечное горячее водоснабжение в условиях г. Карши

На основе радиационных и метеорологических данных для г. Карши представлен годовой режим производительности системы солнечного горячего водоснабжения в условиях г. Карши.

 

С повышением уровня жизни населения увеличивается потребность в горячем водоснабжении. С ростом цен на энергоносители возрастает экономическая и социальная значимость использования солнечной энергии в области горячего водоснабжения.

Кашкадарьинская область (38^о…40^о с^. ш^.) располагает большими радиационно-климатическими ресурсами для широкого использования систем солнечного горячего водоснабжения.

Эффективность практического использования солнечной энергии для отопления и горячего водоснабжения основывается на следующих принципах:

1)                 Привязка к конкретному объекту, с учетом его назначения, конструктивных, строительных и архитектурных особенностей.

2)                 Специфика тепловой нагрузки, радиационно-климатические и географические условия.

3)                 Уровень экономических и технических возможностей, наличие других источников энергии.

4)                 Возможность применения комбинированных, дублирующих систем теплоснабжения.

5)                 Социально-бытовые условия, национальные и местные традиции.

Как известно солнечные системы горячего водоснабжения (ГВС) могут быть 1-но,

2-х и многоконтурными; с естественной (термосифонной) или принудительной циркуляцией. Основными элементами системы являются солнечный коллектор-водонагреватель и бак-аккумулятор (рис.1).

Рис. 1. Схемы систем солнечного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией: А — одноконтурная проточная; Б и В — двухконтурные; 1 — солнечный коллектор; 2 — бак аккумулятор; 3 — теплообменник; 4 — горячая и 5 — холодная вода

 

Наиболее распространенными системами солнечного ГВС являются двухконтурные системы с баком-аккумулятором (рис.1,Б,В) [1,2].

Рассмотрим эффективность системы солнечного ГВС в условиях г. Карши (39^о с^. ш^.) для индивидуального хозяйства (семьи) с числом жителей 5 человек. Принимаем двухконтурную систему солнечного ГВС с баком аккумулятором и с однослойным стеклянным покрытием солнечных коллекторов (СК), без дублёра.

Тепловая нагрузка на ГВС для бытовых нужд определяется суточным режимом потребления горячей воды на одного человека.

Тепловая нагрузка на ГВС определяется по формуле:

Q_гв = G_гв1 С_р ρ т (t_гв — t_хв)n_д;                                                                                         (1)

где G_гв1 — суточный расход горячей воды на 1 человека, л/(чел.сут);

С_р=4190 Дж/(кг К) — удельная теплоемкость воды, Дж/(кг К);

ρ=1 кг/л — плотность воды, кг/м³;

t_гв,t_хв — температура горячей и холодной воды, ^оС;

m — число жителей;

n_д — число дней за период n.

По гигиеническим требованием для городских жителей суточное потребление горячей воды на одного человека в среднем составляет G_гв1=60…100 л/(чел.сут), минимальная допустимая температура горячей воды t_гв=60 ^оС.

Интенсивность падающей солнечной радиации на поверхность СК определяется по формуле:

q_i= S P_S+ D P_D;                                                                                                           (2)

где S, D — интенсивность прямой и рассеянной радиации, падающей на горизонтальную

поверхность, Дж/м²;

P_S,P_D — коэффициенты положения СК для прямой и рассеянной радиации.

Угол наклона СК южной ориентации α относительно горизонта для установок работающих круглый год принимается равным широте местности φ, в летний период — α=φ-15^о, в зимний период — α=φ+15^о [4]. Принимаем α=φ»40^о.

Коэффициент положения СК для прямой радиации определяется уравнением:

;                                                 (3)

                                                   (3а)

где δ — угол склонения солнца, град;

ω_г — часовой угол захода солнца для горизонтальной поверхности, град;

ω_н — часовой угол захода солнца для наклонной поверхности южной ориентации, град.

Коэффициент положения СК для рассеянной радиации определяется по формуле:

P_D= cos(α/2);                                                                                                                (3б)

Приведенная интенсивность поглощения солнечной радиации определяется уравнением:

q_npi =0,96(S P_S B_S + D P_D B_D);                                                                                      (4)

где B_S,B_D — приведенные оптические характеристики СК для прямой и рассеянной

радиации.

Для одностекольных СК принимается B_S=0,74;B_D=0,64;

для двухстекольных СК — B_S=0,63; B_D=0,42.

Площадь лучепоглощающей поверхности СК определяется по формуле:

;                                                                                                             (5)

где G_гв — суточный расход горячей воды, л/сут;

q_i — часовая производительность солнечной установки на 1 м² поверхности СК, кг/м²;

i — расчетные часы работы солнечной установки.

Часовая производительность солнечной установки определяется по формуле:

;                                                                                                        (6)

где К_пр — приведенный коэффициент теплопотерь СК, Вт/(м² К);

t_maxi — равновесная температура каждого часа, ^оС

t₁, t_2 — температура воды на входе и выходе СК, ^оС.

Для одностекольных СК можно принять К_пр=8 Вт/(м² К);

для двухстекольных — К_пр=5 Вт/(м² К).

В двухконтурных системах температура воды на входе СК определяется по формуле:

t₂=t_хв+5 ^оС; где t_хв — температура воды в водопроводной сети; температура воды на выходе СК определяется по формуле: t₁=t_гв+5 ^оС; где t_гв — требуемая температура горячей воды.

Равновесная температура каждого часа определяется по формуле:

;                                                                                                           (7)

где q_npi — приведенная интенсивность поглощенной солнечной радиации, Вт/м²;

t_нвi — температура наружного воздуха, ^оС.

При наличии дублёра площадь лучепоглощающей поверхности СК определяется по формуле:

;                                                                                                    (8)

где η — КПД солнечной установки ГВС.

Коэффициент полезного действия солнечной установки ГВС определяется по

формуле:

;                                                                              (9)

где θ — приведенная оптическая характеристика СК.

t_нд — средняя дневная температура воздуха, ^оС.

Приведенная оптическая характеристика СК может быть принята для одностекольных СК θ=0,73; для двухстекольных — θ=0,63.

Расход топлива на нагревание воды определяется по формуле:

;                                                                                                             (10)

где Q_нтс — низшая теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м³;

η_ка — коэффициент полезного действия котельного агрегата.

В качестве топлива принимаем Мубарекский природный газ с низшей теплотой сгорания Q_нтс=38,989 МДж/м³, КПД котельного агрегата — η_ка=0,55.

По приведенной методике производим расчет производительности солнечной установки ГВС. Как показывают расчеты, при норме потребления горячей воды G_гв1=60 л/(чел.сут) и G_гв2=100 л/(чел.сут), при площади СК F_ск1=4,3 м² и F_ск2=7,2 м² в летний период коэффициент замещения достигает f=1 (таб. 1).

Объем бака аккумулятора ГВС определяется по формуле:

V_a = v_a F_ск;                                                                                                                     (11)

где v_a=0,08 м³/м² — удельный объем бака-аккумулятора на 1 м² площади СК.

Объем бака аккумулятора:

при G_гв11=60 л/(чел.сут); F_ск1=4,3 м²: V_a1 = 0,08•4,3=0,344 м³=344 л;

при G_гв11=100 л/(чел.сут); F_ск2=7,2 м²: V_a1 = 0,08•7,2=0,576 м³=576 л.

Таблица 1

Индекс 1 — при G_гв1=60 л/(чел.сут); индекс 2 — при G_гв2=100 л/(чел.сут)

 

Таким образом, в условиях г. Карши системы солнечного ГВC позволяют в зимнее время потребности в горячей воде на (35…50) %, в летнее время на (70...100) % обеспечивать за счет тепла солнечной энергии. Годовая экономия природного газа составляет 642,7...1076,2 м³ в год. Увеличение площади солнечного коллектора более F_к1>4,3 м² и F_к2>7,2 м² приводит к излишкам производительности в летний период работы (рис. 2).

При использовании дублера площадь СК необходимо увеличить в 1,4 раза.

Рис. 2. Годовое изменение потребления горячей воды G_гв и производительности СК Q_пр: 1 — G_гв1; 1 — G_гв2; 3 — Q_пр1 при F_к1=4,3 м²; 4 — Q_пр2 при F_к2=7,2 м²; 5 — Q_пр1 при F_к1=6 м²; 6 — Q_пр2 при F_к2=10 м²;

 

Системы солнечного ГВС с естественной циркуляцией теплоносителя, при всей своей конструктивной и эксплуатационной простоте, имеют низкую производительность. Использование принудительной циркуляции теплоносителя позволяет увеличить производительность установки до 30 % [2]. Принудительная циркуляция требует установки циркуляционных насосов, что приводит к незначительным дополнительным энергозатратам и конструктивным изменениям.

Приведенные данные производительности системы солнечного ГВС могут быть использованы в проектных расчетах систем солнечного ГВС в радиационно-климатических условиях г. Карши.

 

Литература:

 

1.                  Авезов Р. Р., Орлов А. Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. -Т.: Фан. 1988. -288 с.

2.                  Сарнацкий Э. В.., Чистович С. А. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. -М.: Стройиздат. 1990. -328 с.

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

4.                  Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проетирования. ВСН 52–86. —М.: Стройиздат. 1988. -13 с.

5.                  Ким В. Д., Хайриддинов Б. Э., Холлиев Б. Ч. Радиционные и метеорологические режимы Кашкадарьинской области. -Карши.: 2000. -73 с.