Учебники 80362

71

Для удобства обслуживания, ремонта и наращивания при необходимости мощности кассеты аккумулятора теплоты или холода монтируются съемными, и они объединяются в подающий и обратный коллекторы. Аккумулятор имеет эластичную внутреннюю оболочку с упругой теплоизоляцией, воспринимающую изменения объема аккумулирующего вещества при фазовом переходе.

Основное достоинство кассетного теплообменника – простота его изготовления и изменения объема под нужды заказчика. Изготовление змеевика из тонкостенных гофрированных труб не требует сварки или трубогибочных станков. Подсоединение к коллекторам происходит через готовые заводские фитинги. Другое важное преимущество состоит в том, что емкость с водой или с каким-либо другим веществом, в которую погружается теплообменник, является безнапорной и может быть выполнена даже в строительных конст-

рукциях [79, 109].

Учитывая, что пластинчатые теплообменники могут также эффективно

использоваться для хранения энергии [90] следует часть образованного плаРисунок 4.7. Аккумулятор теплоты: 1 – корпус; 2 – теплоизоляция; 3 – стинами пространства заполнить аккумулирующим веществом. Повысить эластичная оболочка; 4 – аккумулирующая среда; 5 – ка - холодопроизводительность хранения можно увеличивая толщину пластин, сета; 6 – металлический сетчатый каркас; 7 – коллектор; 8

заполненных аккумулирующим веществом.

– гофрированная труба

4.4. Повышение эффективности систем солнечного охлаждения

Основным процессом солнечного охлаждения на современном этапе является абсорбция. Главная задача производителей - сделать рентабельными установки, поглощающие хладагент, в малом диапазоне мощностей, так как создание компактных и энергоемких аккумуляторов позволит увеличить стабильность охлаждающих систем. Внедрение таких кондиционеров тормозится из-за относительно высокой стоимости и ограниченной области их применения. Однако эти недостатки в дальнейшем могут быть с успехом устранены, в том числе и посредством применения нано-технологий.

Несмотря на то, что наибольшее распространение для использования альтернативных источников энергии получили абсорбционные холодильные машины, уже сейчас разрабатывается адсорбционная холодильная техника с твердым поглощающим веществом, которая имеет ряд преимуществ, одно из них это компактность конструкций. Так, например, чиллер Sortech S 05 (ACS 05) [79] основан на адсорбционном процессе с рабочей парой веществ сили- кагель-вода.

Перед инженерами и конструкторами стоит актуальная задача совершенствования процессов преобразования и использования солнечной энергии, как за счет самих холодильных установок, так и за счет тепловых масси-

72

вов устройств улавливания радиации. В этой области приоритетным является, в том числе, и снижение стоимости оборудования посредством сокращения расхода материалов на производство и получения эффекта масштабности использования, что, в свою очередь, окажет существенное влияние на рентабельность оборудования.

Глава 6. Методы расчета и проектирования установок солнечного теплоснабжения

6.1.Оценка располагаемого количества солнечной энергии при проектировании систем теплоснабжения для различных климатических условий

Плотность потока солнечной радиации у верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную перпендикулярно направлению солнечных лучей, равна I 0 =1,353 кВт/м2 (солнечная постоянная), при этом среднее ко-

личество энергии, поступающей за 1 ч на 1м2 этой поверхности, составляет Q0 =4,871 МДж/(м2 ч) [11]. Сквозь толщу атмосферы проникнет только часть

солнечного спектра, интенсивность которого определяется широтой местности, временем года и долготой дня, поэтому энергооблученность объектов в разных климатических зонах будет существенно отличаться.

Как отмечалось ранее, в системах солнечного теплоснабжения обычно используются плоские тепловые коллекторы, устанавливаемые в наклонном положении. Чтобы правильно подобрать устройства и выполнить их расчеты, необходимо знать величину солнечной радиации, попадающей на поглощающую панель абсорберов. Среднемесячное дневное количество суммарной солнечной энергии, МДж/(м2 день), поступающей на наклонную поверхность, можно определить по выражению [11]

где E - среднемесячное дневное количество суммарного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, МДж/(м2 день); R отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности.

Для наклонной поверхности с южной ориентацией отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации можно вычислить по зависимости [11]

где Е Д среднемесячное дневное количество диффузной (рассеянной) солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность,

73

МДж/(м2 день); RП коэффициент пересчета прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность; угол наклона плоского солнечного коллектора к горизонту, град; коэффициент отражения для подстилающей поверхности Земли, который принимается для теплого периода =0,2, а для холодного при наличии снежного покрова =0,7.

Среднемесячная величина коэффициента R П может быть определена в соответствии с рис. 6.1 или по формуле [11]

совые углы захода солнца на горизонтальной и наклонной поверхностях, град.

На рис. 6.2 показаны основные углы, используемые в формулах.

Рис. 6.1. Зависимость среднемесячного коэффициента пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной плоскости на поверхность коллектора от широты местности для I-XII месяцев года

Угол склонения солнца в данный день n равен

74

Для среднего дня каждого месяца величина указана в табл. 6.1. Часовой угол захода (восхода) солнца для поверхности составляет:

при горизонтальном ее размещении

поверхности (а) и наклонной (б) поверхности коллектора солнечной энергии (КСЭ) относительно солнечных лучей: - широта местности; - часовой угол; - для I-XII месяцев года; l – угол падения лучей на наклонную поверхность коллектора; - угол высоты солнца; аС - азимут солнца; аН – азимут наклонной поверхности

75

В качестве часового угла захода солнца для наклонной поверхности '3 принимается меньшая из двух величин, указанных в фигурных скобках.

Значения среднемесячных величин Å , Å Ä , коэффициента ясности атмосферы К Я и температуры наружного воздуха ТВ для некоторых городов приведены в табл. 6.2. Значения коэффициента RÏ для поверхности с углом наклона , равным широте местности южной ориентации (азимут аН=0) и юго-восточной или юго-западной ориентации (аН=15 и 30°), приведены в табл. 6.3.

86

Таблица 6.2 Среднемесячное суточное поступление суммарной Е и диффузной ЕД солнечной радиации, МДж/(м2 день), на горизонтальную поверхность, коэффициент ясности атмосферы КЯ и температура наружного воздуха ТВ, оС

87

88

Оптимальная ориентация коллектора солнечной энергии - южная. При отклонении до 30° к востоку или западу от южного направления годовое количество поступающей солнечной энергии уменьшается на 5-10 %.

Оптимальный угол наклона абсорбера равен широте местности для систем круглогодичного действия, = +15° - для установок, работающих только в отопительный сезон, и = -15° - для систем, работающих только в летний период.

Коллекторы можно размещать на наружных ограждениях здания (крыше, стенах, ограждениях балконов и т. п.) или отдельно от него, но стоимость солнечной системы теплоснабжения значительно снижается при совмещении улавливающих излучение устройств с крышей здания. Следует подчеркнуть, что теплопроизводительность установок уменьшается на 2-5% при затенении непрозрачными конструктивными элементами и запылении.

6.2.Выбор коллекторов солнечной энергии для систем нетрадиционного теплоснабжения зданий

Тепловая эффективность плоских коллекторов повышается путем снижения оптических и тепловых потерь благодаря применению нескольких слоев прозрачной изоляции (остекления); селективных покрытий; вакуумирования пространства между лучепоглощающей поверхностью и прозрачной изоляцией и т. п. Однако следует помнить, что сложное конструктивное исполнение приводит к возрастанию стоимости установок солнечного теплоснабжения.

где qK - удельная теплопроизводительность солнечного коллектора, т. е. количество полезной теплоты, получаемой с 1 м2 площади абсорбера за 1 с, Вт/м2; IK - плотность суммарного потока солнечной радиации, поступающей на остекление коллектора, Вт/м2; mK - удельный массовый расход теплоносителя в поглощающей панели, кг/(м2·с); сP - удельная изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·К); ТТ.Н, Т Т.К -температура теплоносителя на входе в коллектор и выходе из него, оС.

Мгновенный КПД плоского коллектора можно также определить по формуле

89

где КТ - коэффициент теплопотерь коллектора, Вт/(м2·К); ТВ - температура наружного воздуха, °С; 0 эффективный оптический КПД солнечного коллектора.

Зависимость мгновенного КПД К от соотношения (ТТ.Н -ТВ)/IK определяется при испытании установки и изображается прямой с нулевой ординатой, равной оптическому КПД при нормальном падении лучей 0О , а тан-

генс угла наклона прямой дает величину КТ. На рис. 6.3 показаны характеристики наиболее распространенных типов солнечных коллекторов. Эффективный оптический КПД для этих устройств с южной ориентацией составляет 0 0,95 0О при однослойном остеклении и 0 0,93 0О при

двухслойном остеклении.

Рис. 6.3. Характеристики различных типов коллекторов солнечной энергии: 1 – неселективный плоский коллектор с двухслойным остеклением и алюминиевым штампованным абсорбером; 2 – то же с антиотражательным покрытием на поверхностях остекления; 3 – селективный плоский коллектор с покрытием «черный хром» на стальном абсорбере; 4 – вакуумированный стеклянный трубчатый коллектор с селективным концентрическим абсорбером; 5 - неселективный плоский коллектор с однослойным остеклением

КПД коллектора солнечной энергии равен нулю в том случае, если плотность потока солнечной энергии IK не превышает критического значения:

90

Следовательно, К >0 при IK>IKP, а средняя величина КПД за определенный период времени (день, месяц, год) равна

где EK - среднемесячное поступление солнечной энергии на поверхность коллектора за день, МДж/(м2·день); cреднемесячная величина степени