Основы расчета солнечных систем теплоснабжения

Система солнечного теплоснабжения, как уже отмечалось, состоит из трех основных элементов - солнечного коллектора, бака-аккумулятора и дублирующего источника. При расчете системы необходимо определить количество коллекторов или площадь гелиоустановки, объем бака-аккумулятора и мощность дублирующего источника. Площадь гелиоустановки рассчитать несложно, если известны полезная энергия, вырабатываемая гелиоустановкой с единицы площади, и требуемая энергия для покрытия нагрузки:

где Q_п, Q_в - потребная и вырабатываемая энергии соответственно.

Количество потребной энергии на производственно-технологические нужды, как правило, постоянно. Для отопления помещения мощность источника теплоты для каждого месяца будет различной.

Потребную мощность несложно определить по известной методике. Например, для горячего водоснабжения

где m - масса необходимой горячей воды, кг; С_P - теплоемкость воды, Дж/кг^oК; Т_к, Т_н - конечная и начальная температура воды соответственно, ^oК.

При использовании установки для отопления мощность источника тепла определяется из теплового баланса, методика составления которого изучается в специальных курсах «Основы теплотехники» и «Применение теплоты в сельском хозяйстве».

Несколько сложнее определить энергию, вырабатываемую гелиоустановкой, поскольку необходимо знать уровень поступающей солнечной радиации и теплотехнические характеристики солнечного коллектора. Количество тепла, вырабатываемое в том или ином месяце, непостоянно, значит, и площадь гелиоустановки должна меняться. Поэтому важно рассчитать оптимальную площадь гелиоустановки.

При определении необходимой площади гелиоустановки следует задаваться двумя условиями:

§ возможностью обеспечить объект тепловой энергией в любой месяц; в более северных широтах в холодное время года солнечное теплоснабжение может быть неэффективным;

§ режимом наибольшей экономии топлива.

Обеспечение теплотой определяется температурным режимом гелиоустановки. Так, для летней доильной площадки требуется значительное превышение температуры теплоносителя в сравнении с окружающей средой. Температуру теплоносителя на выходе солнечного коллектора можно определить по выражению

,

(3.14)

где - средний массовый расход теплоносителя, кг/с·м².

Массовый расход теплоносителя зависит от производительности насоса. При естественной циркуляции среднее значение массового расхода можно принять по экспериментальным данным: 0,005...0,01 кг/с·м².

Тепловая энергия, вырабатываемая солнечной установкой, определяется за день, а расчеты ведутся для средних условий рассматриваемого месяца. Тогда среднемесячная, дневная вырабатываемая энергия с единицы площади определяется по выражению

МДж/м2,

(3.15)

где Т_вх – температура на входе в солнечный коллектор.

Среднедневную продолжительность солнечного сияния можно принять как время работы установки в течение дня. Замена Т_ср (2.10) на Т_вх вызвана удобством расчета, и коэффициент тепловых потерь учитывает принимаемое допущение.

Удельная теплопроизводительность гелиоустановки за месяц определяется с учетом вариации поступающей суммарной солнечной радиации. Если таких данных нет, используется продолжительность солнечного дня с соответствующей обеспеченностью:

,

(3.16)

где N - число дней данного месяца; р(S) - обеспеченность (вероятность) солнечного сияния в данный месяц.

Выработка энергии за сезон или год определяется суммированием теплопроизводительности по месяцам:

,

(3.17)

где n - количество месяцев работы установки.

Второй элемент системы, бак-аккумулятор, выбирается по виду материала. Для системы горячего водоснабжения в качестве материала лучше принять сам теплоноситель (воду); срок его хранения также зависит от условий работы. Если, к примеру, требуется покрытие тепловой нагрузки дважды в сутки, то объем бака-аккумулятора рекомендуется увеличить в два раза. При этом гелиоустановка должна быть рассчитана на эту двойную тепловую нагрузку.

На практике объем бака-аккумулятора определяют, исходя из удельных соотношений. Оптимальным считается объем бака V_б = 60...120 л/м² гелиоустановки. Значение 100...120 л/м² принимается для южных районов (35...40^o с.ш.), для северных это значение меньше. Для Челябинской области оно составляет 60...75 л/м² гелиоустановки.

Место установки бака выбирают в зависимости от схемы системы горячего водоснабжения (естественная или принудительная циркуляция). Солнечные коллекторы следует соединять по смешанной схеме - параллельно-последовательной, группы располагать симметрично относительно бака-аккумулятора.

Третий элемент системы - дублирующий источник - желательно предусматривать в системах и отопления, и горячего водоснабжения. Мощность дублирующего источника следует рассчитывать, исходя из условия, что гелиоустановка не работает, что бывает, как правило, в пасмурные дни. Необходимо определить и продолжительность работы дублера. Например, для летней доильной площадки требуется горячая вода в утренние и вечерние часы суток. Объем бака-аккумулятора рассчитывают на суточный режим работы, включение дублера зависит от температуры воды в баке, при условии, что за счет солнечной энергии нагрева воды не происходит.

Отметим, что гелиоустановка должна быть рассчитана на покрытие суточной потребности в тепловой энергии и обоснована технико-экономическими расчетами. Может оказаться так, что нагревать воду для утренней дойки ТЭНами экономичнее при расчете за энергию по многоступенчатой сетке.

Таким образом, при расчете системы солнечного теплоснабжения необходимо определить площадь гелиоустановки. При этом расчет производится для каждого месяца, по дневной теплопроизводительности гелиоустановки:

(3.18)

Для каждого i-го месяца требуется своя площадь, и ее оптимальную величину необходимо выбирать по энергетическим и экономическим показателям гелиоустановки. Энергетические показатели зависят от эксплуатационных параметров гелиоустановки.