Исследование процессов генерации теплоты в схеме солнечно-теплонасосной установки

УДК 621.577

© И.В. Слесаренко, И.Б. Слесаренко, 2014

И.В. Слесаренко, И.Б. Слесаренко

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ В СХЕМЕ СОЛНЕЧНО-ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

Рассмотрены условия эффективного использования солнечной энергии в системах теплоснабжения жилых зданий. Определена методика выбора схемы солнечной водонагревательной установки (СВНУ), оснащенной тепловым насосом. Рассмотрены возможности аккумулирования теплоты от СВНУ с помощью тепловых насосов и грунте. Предложено применить комплексное системное решение при конструировании солнечно-теплонасосной установки за счет оптимизации параметров ее компонентов. Определено влияние типа коллектора, наклон и ориентация коллектора относительно солнца на эффективность работы СВНУ.

Ключевые слова: солнечная энергия, генерация теплоты, солнечный коллектор, тепловой насос.

Количество вырабатываемой солнечной водонагревательной установкой полезной энергии зависит от целого ряда факторов, это относится ко всем регионам, включая Приморский край. К существенным факторам влияния относится общее количество располагаемой солнечной энергии, зависящее от продолжительности солнечного сияния. Если во Владивостоке среднегодовое количество располагаемой солнечной энергии составляет 1242 кВт- ч/год, то в районе Сад-Город она равна 1373 кВт- ч/год, а на севере края в районе Агзу — 1182 кВт- ч/год. Для многих объектов, расположенных на территории России, годовое поступление солнечной энергии, как правило, превышает или, по крайней мере, сопоставимо с энергетическими потребностями рассматриваемого объекта [1]. По поступлению солнечной энергии Приморский край занимает одно из первых мест в России [2]. Солнечные водонагревательные установки имеют небольшой срок окупаемости (до 7 лет). Общее их количество в мире превышает 180 млн м2 [3].

Основным элементом солнечной водонагревательной установки является солнечный коллектор. Одним из главных условий эффективного использования солнечной энергии в систе-

мах теплоснабжения является правильность выбора схемы солнечной водонагревательной установки (СВНУ). Существенную роль играют также тип, наклон и ориентация коллектора относительно Солнца. Также экономичная эксплуатация солнечной установки требует тщательного выбора схемы и параметров ее компонентов.

В имеющихся технических разработках в области СВНУ основное внимание уделяется повышению эффективности работы солнечных коллекторов, и в меньшей мере аккумуляторов теплоты. Для практического потребления более важной задачей является получение тепловой энергии необходимого потенциала с равномерной генерацией не только для покрытия нагрузки на ГВС, но и решения проблемы солнечного теплоснабжения и кондиционирования [4].

Объект и методика исследования. Схема рассматриваемой установки показана на рис. 1. Для того, чтобы использовать солнечную энергию во всех четырех сезонах для теплоснабжения и охлаждения здания, применены реверсивные тепловые насосы. Схема установки включает вакуумные солнечные коллекторы, подключенные к системе горячего водоснабжения здания и два отдельных узла СВНУ — А и B. В состав оборудования узла А СВНУ входят два циркуляционных насосов Р1 и Р2, поле грунтовых теплообменников, разделенных на две зоны SH1 и SH2, тепловой насос Н1, соленоид вентилятора F1, трубопроводы и т.д. Устройство B включает циркуляционные насосы Р3 и Р4, грунтовые теплообменники SH3 и SH4, тепловой насос Н2, соленоид вентилятора F2, трубопроводы и т.д. В схеме имеется водяной бак с расположенным внутри тепловым аккумулятором фазового перехода, что позволяет накопить больше солнечной энергии. Калиброванный расходомер и калиброванный счетчик электроэнергии установлены в обоих узлах СВНУ.

Температура контролируется в заданных точках тепловой схемы установки - на входе и выходе наиболее важных узлов. Площадь подключенных к установке солнечных коллекторов равна 10 м2, группа U-образных теплообменника в скважин-ном поле имеют глубину закладки от 50 до 60 м. Число колодцев наблюдения за параметрами в скважинном поле — 4, их глубина - 20 м.

Рис. 1. Принципиальная схема исследуемой установки

Грунтовые теплообменники и-образного типа изготовлены из полипропиленовых труб диаметром 25 мм. В каждой скважине для проверки и наблюдения были установлены 5 термопар для контроля температуры грунта в заданных точках на различной глубине. Термопары подключались к измерительному прибору высокой точности (± 0,1 С).

Для районов с холодным климатом сезонные изменения поступающей солнечной радиации являются очень большими. Для районов РФ, расположенных на широте 45° Приморского края, полная интенсивность падающей солнечной радиации равна 29,82 МДж/м2-день в летний период, в то время как зимой самый низкий уровень равен 5,05 МДж/м2-день. Плотность солнечной радиации на горизонтальную плоскость составляет 5000 МДж/м2 в среднем за один год, и только 160,2 МДж/м2 в январе. Если солнечный коллектор отслеживает перемещение солнца по горизонту, плотность солнечной радиации на коллекторной поверхности в январе равна 320 МДж/м2 и средний тепловой кпд солнечного коллектора по результатам испытаний не превы-

шает п =0,37. В этом случае средняя солнечная радиация полученная солнечным коллектором, может быть рассчитана по формуле (1) и составит 45,7 Вт/м2.

а =_П<__

Чё

Если учитывать только полезно использованное солнечное тепло, снятое с 1 кв. м солнечного коллектора, то по тепловому эквиваленту эта площадь соответствует 136 - согласно формуле (2), где =33,7 Вт/м2

51 = ^.

Таким образом, удельная величина солнечной радиации (солнечного тепла), падающей на плоский абсорбер коллектора в рассматриваемом районе равна Оь = 6630 МДж/м2 в год. Средний тепловой кпд солнечной водонагревательной установки составляет ц2 =0,65. Если поверхность нагрева абсорбера Б2 принять равной 1 м2, то площадь солнечного коллектора, рассчитанная по формуле (3), равна 12,9 м2.

ОП2

а

52 =^2.

Результаты исследований

Результаты испытаний и мониторинга показателей работы одного из вакуумных солнечных коллекторов представлены на рис. 2.

' АТ >

^со

, представленное на

Значения характеристики Э = /

ч ^СОЛН У

рис. 2 показывает, какое количество тепловой энергии выработано коллектором за день в реальных условиях поступлении солнечной радиации в плоскость коллектора, где АТ=ТКср - Тв, ТКср - средняя температура теплоносителя в коллекторе, Тв -температура окружающего воздуха, <солн - интенсивность солнечной радиации.

0,9

0,8

0,7 -

0,6 -

н

о £ 0,5

кт

0,4

4+

++

0,3

0,2

0,1

0

♦

♦ ♦

* ♦ ♦ . ♦

♦ V* ♦ ♦

♦ ♦

♦ ♦ ♦

• ♦ N.

♦ \

♦

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

К=(Ткол-Твоз)/0, град. С*кв.м/Вт

Рис. 2. Значения характеристики — эффективность солнечного коллектора

Вычисленные значения КПД и коэффициентов потерь представлены в табл. 1.

Таблица 1

Показатели эффективности коллектора

Оптический КПД Коэффициент потерь

п к1, Вт/°С/м2 к2, (Вт/°С/м2)2

0.875 1.838 0.929

Таким образом, если только солнечная энергия используется для отопления в зимний период, то необходимая площадь солнечных коллекторов должна быть очень большой. Первоначальные капитальные вложения настолько велики, что срок окупаемости СВНУ превышает расчетный период эксплуатации установки.

Если угол между солнечным коллектором и горизонтальной плоскостью регулируется каждые 2 месяца, кпд коллектора значительно возрастает. Это позволяет увеличить теплосъем и кпд системы.

Выводы

1. Эффективность генерации теплоты в схеме солнечно-теплонасосной установки может быть повышена за счет применения многоконтурной схемы, наличия дублера источника тепловой энергии, использования аккумуляторов теплоты.

2. В качестве низкотемпературного источника может быть принята теплота грунта, используемая в схеме с тепловым насосом.

3. Применение комплексных решений позволяет повысить уровень генерации теплоты в схеме солнечно-теплонасосной установки, и использовать ее для не только для ГВС, но и отопления зданий.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Слесаренко В.В., Угрюмова С.Д., Богданович Г.А., Слесаренко И.Б., Вагнер В. В. Применение солнечных технологий для теплоснабжения промышленных и социальных объектов Дальневосточного региона. Материалы международной конференции. Международное сотрудничество: наука, инновации и образование (Актуальные проблемы развития инновационной деятельности ВУЗа). 01-04 августа 2012 г. Владивосток, Россия Издательский дом Дальневосточного федерального университета. 2012. с.10 - 14.

2. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, части 1 -6, выпуск 26. Приморский край. Приморское территориальное управление по гидрометеорологии, 1988. 417 с.

3. В.А. Бутузов, Е.В. Брянцева, В.В. Бутузов, И.с. Гнатюк Технологии, оборудование и материалы солнечных коллекторов // Альтернативная энергетика и экология — ISJAEE. 2010. № 11. с.54-58

4. Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Справочник. / Под ред. В.И. Висса-рионова. — М., 2004. - 448 с. ГТТШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Слесаренко Илья Вячеславович — аспирант Инженерной школы Дальневосточного федерального университета, slesarenkoi1@udayton.edu, Слесаренко Ирина Борисовна - кандидат технических наук, доцент кафедры Нефтегазового дела и нефтехимии Дальневосточного федерального университета, islesarenkob@rambler.ru.

INVESTIGATION OF HEAT GENERATION CHART OF SOLAR-HEAT-PUMP SYSTEMS

Slesarenko I.V., Graduate Engineering school, slesarenkoi1@udayton.edu, Far Eastern Federal University,

Slesarenko I.B., Candidate of Technical Sciences, associate Professor, isle-sarenkob@rambler.ru.Far Eastern Federal University.

The conditions for the efficient use of solar energy in the heating systems of residential buildings. Defined methods of selecting circuit solar water installation (SVI) equipped with a heat pump. The possibility of heat storage from SVI using heat pumps and ground. Proposed to apply a total system solution in the design of solar- heat pump system by optimizing the parameters of its components. The effect of the collector type, slope and orientation relative to the sun on the collector efficiency SVI.

Key words: solar energy, heat generation, solar collector, heat pump.

REFERENCES

1. Slesarenko V.V., Ugrjumova S.D., Bogdanovich G.A., Slesarenko I.B., Vagner V.V. Primenenie solnechnyh tehnologij dlja teplosnabzhenija pro-myshlennyh i so-cial'nyh ob#ektov Dal'nevostochnogo regiona (The use of solar technologies for heat supply of industrial and social objects in the far Eastern region). Materialy mezhdu-narodnoj konferencii. Mezhdunarodnoe sotrudnichestvo: nauka, in-novacii i obra-zovanie (Aktual'nye problemy razvitija innovacionnoj deja-tel'nosti VUZa). 01-04 av-gusta 2012. Vladivostok, Rossija Izdatel'skij dom Dal'nevostochnogo federal'nogo uni-versiteta. 2012, pp.10 - 14.

2. Nauchno-prikladnoj spravochnik po klimatu SSSR. Serija 3, chasti 1 - 6, vy-pusk 26. Primorskij kraj. Primorskoe territorial'noe upravlenie po gidrometeorologii, 1988. 417 p.

3. Butuzov V .A., E.V. Brjanceva, V.V. Butuzov, I.s. Gnatjuk Tehnologii, oboru-dovanie i materialy solnechnyh kollektorov (Technologies, equipment and materials solar collectors) // Al'ternativnaja jener-getika i jekologija — ISJAEE. 2010, No 11, pp.54-58.

4. Jenergeticheskoe oborudovanie dlja ispol'zovanija netradicionnyh i vozob-novljaemyh istochnikov jenergii. Spravochnik. / Pod red. V.I. Vissarionova. Moscow, 2004, 448 c.