автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Нестационарные процессы в системе солнечного теплоснабжения зданий

На правах рукописи

Вейси Фарзад

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена на кафедре "Тепломассообменных процессов и установок" Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, проф.

Сергиевский Эдуард Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, проф.

Казанджан Борис Иванович

доктор технических наук, проф. Яновский Леонид Самойлович

Ведущая организация: Московский Государственный

Университет Леса (МГУЛ)

Защита диссертации состоится " 29" октября 2004 г. в 15 час. 30 мин. в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, дом 17.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная улица, дом 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан:"_" сентября 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.10 к.т.н., доцент Кулешов Н.В.

Актуальность темы диссертации. На территории России сосредоточено 45% мировых запасов природного газа, 13% -нефти, 23% -угля , 14% -урана. Такие запасы топливно-энергетических ресурсов могут обеспечить потребности страны в тепловой и электрической энергии в течение сотен лет. Однако фактическое их использование обусловлено существенными трудностями и опасностями, не обеспечивает потребности многих регионов в энергии, связано с безвозвратными потерями топливно-энергетических ресурсов (до 50%), угрожает экологической катастрофой в местах добычи и производства топливно-энергетических ресурсов. В то же время 25 млн. человек проживают в районах автономного энергоснабжения или ненадежного централизованного энергоснабжения, занимающих более 70% территории России.

Задачи удовлетворения существующих потребностей населения и промышленности в тепловой энергии, особенно в районах, удаленных от централизованных энергетических сетей, приводят к необходимости развития возобновляемой энергетики, в том числе нетрадиционной и малой. Это также обусловлено необходимостью решения глобальных проблем обеспечения человечества энергией в будущем, связанных с ограниченностью запасов ископаемых видов топлива и требованиями обеспечения экологической безопасности.

Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности является наиболее перспективным энергоресурсом для получения тепла и холода, особенно в области невысоких температур. Природно-климатические условия России, особенно юга страны, где бывает до 300 солнечных дней в году, позволяют использовать энергию солнца для покрытия значительной доли потребностей в теплоте.

В современных проектах зданий все чаще применяются наиболее экономичные системы отопления вентиляции и кондиционирования, а также предусматривается применение систем автоматизации, которые позволяют эффективно регулировать и контролировать потребление различных энергетических ресурсов.

Однако имеющиеся методы проектирования систем теплоснабжения зданий, как правило основаны на закономерностях стационарного теплопереноса. Использование этих методов в реальных условиях иногда не обеспечивает требуемую точность расчетов. Это связно с тем, что факторы, которые определяют интенсивность теплообмена и прежде всего температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, непрерывно изменяются.

Поэтому исследование нестационарного теплообмена и гидродинамики при определения характеристик систем теплоснабжения представляют актуальную задачу для повышения энергоэффективности работы систем теплоснабжения зданий.

При расчете периодического отопления, режима регулирования подачи тепла в помещение, при определении времени натопа при пуске системы и допустимой продолжительности отключения отопления в аварийных условиях и многих других необходимо использовать закономерности переменного во

РОС. ИАЦн*;гллы1АЯ БИБЛИОТЕКА

времени процесса передачи тепла. Это особенно важно при использовании системы солнечного теплоснабжения, поскольку солнце является нестационарным источником энергии.

Такое постоянное динамическое изменение показателей системы солнечного теплоснабжения и её нагрузок еще больше усложняет задачу и делает необходимым проведение многовариантных расчетов, что практически возможно только при применении методов математического моделирования с помощью компьютерных программ.

Специфическим элементом систем солнечного теплоснабжения является солнечный коллектор. В данной работе для моделирования системы солнечного теплоснабжения выбраны воздушные виды солнечных коллекторов. Одной из причин этого выбора является то, что для гибридных коллекторов, в которых используют фотоэлементы в качестве поглощающей поверхности коллекторов для получения электрической и тепловой энергии одновременно, чаще всего используются воздушные коллекторы, и использование гибридных коллекторов в настоящее время является одним из самых перспективных методов преобразования солнечной энергии.

Целью настоящей работы является изучение нестационарных процессов обеспечения теплоты здания на основе использования солнечной энергии как нетрадиционного источника энергии. Для достижения поставленной цели быт поставлен ряд относительно самостоятельных, но взаимосвязанных задач в частности:

-Разработать динамическую модель теплового режима здания. -Провести численное и экспериментальное исследование локальных характеристик полей скорости и температур в канале плоского солнечного воздушного коллектора для создания его математической модели. -Разработать динамическую модель солнечного коллектора и бака аккумулятора.

-Разработать единую математическую модель теплового режима здания с солнечным теплоснабжением и её элементов.

-Применить разработанную модель в режиме теплоснабжения автономного объекта с целью определения экономической целесообразности использования солнечного теплоснабжения в южных районах России.

Научная новизна:

1 Разработана динамическая модель теплового режима помещения ориентированная на исследования нестационарных тепловых режимов здания, которая позволяет определять реальное энергопотребление любого периода эксплуатации и прерывистого режима отопления, учитывает взаимосвязь между элементами включая элементы автоматики. На основе разработанной модели получены количественные данные о динамике изменения температуры внутреннего воздуха помещения при разных температурах наружного воздуха. 2.Получены экспериментальные данные по изменению температуры поверхности пластины при нестационарном режиме в аналогичных условиях

работы солнечного коллектора и проведены численные расчеты локальных характеристик. Хорошее совпадение результатов позволило использовать при дальнейших расчетах течения в канале коллектора К-е модель турбулентности.

3.Создана одномерная модель солнечного коллектора для определения тепловых характеристик в нестационарных условиях. Модель учитывает распределение температуры вдоль коллектора, и позволяет определить коэффициент полезного действия коллектора с учеом изменения коэффициент тепловых потерь. Проведено сравнение разработанной одномерной модели с двумерной моделью и показано, что при расчете солнечного коллектора можно с точностью 10% использовать одномерную модель.

4.При использовании разработанной модели получены количественные данные об изменении КПД коллектора во времени и показано, что влияние нестационарного режима работы солнечного коллектора приводит к росту КПД коллектора при отсутствии солнечной радиации в конце дня.

5.Получены данные о распределении температуры вдоль гибридного коллектора, в котором используется новый тип фотоэлемента с двухсторонним нагревом и предложена для него система охлаждения.

6 Разработана единая модель теплового режима здания с системой солнечного теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения), которая учитывает параметров наружного воздуха, теплопередачи через ограждающие конструкции, тепловых потоков, условий внутреннего объема помещения и влияния характеристики системы солнечного теплоснабжения. 7.Проведены расчеты коэффициента замещения на базе созданной модели в режиме теплоснабжения конкретного реального объекта с целью определения экономической целесообразности использования солнечного теплоснабжения в южных регионах России.

Достоверность. Приведенные в диссертационной работе научные данные и выводы базируются на проведенных численных экспериментах и на сопоставлении результатов исследования с результатами других авторов. Расчетные результаты были проверены путем сравнения с эмпирическими и экспериментальными данными.

Практическая ценность. Математические модели солнечного коллектора и здания могут быть использованы при проектировании новых солнечных коллекторов и их испытании, оптимизации характеристик течения, уменьшении стоимости солнечных систем, изучении нестационарных тепловых процессов в зданиях. Полученные данные и программы можно использовать при проектировании систем теплоснабжения, горячего водоснабжения и электроснабжения индивидуальных домов.

Основные положения, выносимые на защиту: -Математическая модель нестационарного теплового режима помещения

-Результаты расчетов динамики изменения температуры внутреннего воздуха помещения при разных температурах наружного воздуха.

-Результаты экспериментальных и численных расчетов поведения поверхности при нестационарном режиме аналогично течению в канале солнечного коллектора и использования К-в модель турбулентности. -Математическая модель солнечного коллектора для определения тепловых характеристик в нестационарных условиях.

-Полученные результаты расчетов влияния нестационарного режима работы солнечного коллектора на его КПД.

-Единая динамическая модель теплового режима здания с системой солнечного теплоснабжения и её элементов.

- Результаты расчетов коэффициента замещения на базе созданной модели и экономической эффективности использования воздушных коллекторов в климатических условиях южных районов России при участии в покрытии нагрузки отопления и горячего водоснабжения

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на 8 международных и всероссийских конференциях основными из которых являются: 3-я международная конференция, «Проблемы промышленной Теплотехники» (Киев, 29 сен.-4 окт. 2003г.), 4-я международная научно-техническая конференция «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, 12-13 мая 2004г.), 5-й Минский международный форум по тепло- и массообмену» (Минск, 24-28 мая 2004г.)

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения представлены 9 публикациями.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, изложенных на 153 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунков и 18 таблиц, список литературы включает 109 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы, связанной с нестационарными характеристиками системы солнечного теплоснабжения зданий, формулируются основные цели и задачи.

В первой главе рассмотрены принципы построения математических моделей тепловых режимов системы солнечного теплоснабжения здания состоящая из здания, солнечного коллектора, бака-аккумулятора и теплообменников. Первая глава по сути, представляет собой обзор и анализ литературных источников по теме работы.

Основные методы математического моделирования теплового режима

помещения, на две группы:

{-Метод численного моделирования, в котором помещение рассматривается как объект с распределенными параметрами. В этом методе математические модели описывают температурное поле в плане и по высоте помещения. 2. Метод с сосредоточенными параметрами, в котором помещение рассматривается как объект с сосредоточенными параметрами и температура воздуха принимается одинаковой по всему объему помещения.

В данной работе с целью исследования нестационарных процессов теплового режима здания, при которых требуется сделать многовариантные расчеты в разные моменты времени, был использован -метод с сосредоточенными параметрами. При этом создана модель теплового режима здания 12ого порядка, описание которого изложено в главе 2.

При использовании системы солнечного теплоснабжения в зданиях изучение нестационарных процессов становится еще более важным, чем при использовании традиционных источников энергии, поскольку солнце само является нестационарным источником энергии. Специфическим элементом этих систем является солнечный коллектор.

В регионах с малой солнечной радиацией и температурой окружающей среды рекомендуется использовать воздушные коллекторы. Кроме того, для гибридных коллекторов, в которых используют фотоэлементы в качестве поглощающей поверхности коллекторов для получения электрической и тепловой энергии одновременно, чаще всего используются воздушные коллекторы. Поэтому в данной работе для моделирования системы солнечного теплоснабжения выбраны воздушные виды солнечных коллекторов. Но надо отметить, что разработанные методы моделирования в настоящей работе для солнечных установок с небольшими изменениями можно использовать и для систем с водяными коллекторами.

Рассмотрены основные характеристики и методы моделирования плоских солнечных коллекторов, бака-аккумулятора и теплообменников как основные элементы систем солнечного теплоснабжения. Проведен метод расчета потока солнечной радиации на наклонную поверхность коллектора в зависимости от часового угла Солнца и широты местности.

Анализ существующих литературных данных показывает, что мало работ, в которых проводились расчеты тепловых характеристик воздушных солнечных коллекторов при нестационарных режимах. Существующие методики определения энергоэффективности работы систем солнечного теплоснабжения не подходят для анализа и моделирования режимов работы этих систем, как в целом, так и для отдельных её компонентов при нестационарных режимах их работы, что приводит к необходимости использования динамических моделей.

Расчеты локальных тепловых характеристик воздушных солнечных коллекторов мало исследованы из-за недостатка информации поведения коэффициента теплоотдачи в канале солнечного коллектора. Нет данных по локальным характеристикам в коллекторе при нестационарных режимах и мало исследований по охлаждению гибридных (с фотоэлементами) коллекторов.

В опубликованных работах практически отсутствуют комплексный подход и методические рекомендации по динамическому моделированию систем солнечного теплоснабжения зданий.

Приведенное выше позволяет сформулировать цель и конкретные задачи, успешное решение которых позволяет внести вклад в решение актуальной проблемы снижения энергоемкости солнечных систем теплоснабжения, увеличения комфортности зданий, проектирования солнечных систем с повышенными требованиями.

Во второй главе приводятся результаты математического моделирования теплового режима помещения. Для выполнения поставленных задач можно рассматривать модель здания, как объекта с сосредоточенными параметрами. В данной модели температура воздуха принимается условно одинаковой по всему внутреннему объему помещения. Для стен, крыши и пола использована многослойная модель. Модель разработана в среде пакета моделирования динамических систем Simulink 4 (входит в состав MATLAB 6). При использовании пакета Simulink возможны различные варианты моделирования: во временной области, в частотной области, с событийным управлением, с использованием метода Монте-Карло (реакция на воздействия случайного характера) и т.д.

Модель помещения состоит из уравнений описывающих температурные поведения ограждающих стенных элементов, потолка, пола, внутреннего оборудования и отопительного прибора. Для того чтобы записать систему уравнений описывающих модель теплопередачи через оболочку здания, разбиваем стену, потолок и пол по толщине на 3 разных полосы. Как показано в работах других авторов, использование модели с тремя слоями позволяет достаточно точно моделировать температурное изменение в помещении. Применяя уравнение сохранения энергии в нестационарном виде для каждого элемента, получены следующие математические уравнения: Для слоев стены, крыши и поля обращенного к внутреннему воздуху (каждый слой объемом Vи тепловой проводимостью и )-3 уравнений

Для слоев стены, крыши обращенного к наружному воздуху и для слоя пола обращенного к земле -3 уравнений

где Т„ для слоя поля равна температуре в глубине земли (в данном случае 2м) Для внутренних слоев -3 уравнений

(О

(2)

Для эквивалентных внутренних ограждений и оборудования

(3)

Для отопительного прибора

где Q- мощность отопительного прибора Для внутреннего воздуха помещения

+{/Л(гА-т,)+иг{т. ~т,)+и, (г„-г,)+е.

(6)

где 1/х - тепловая проводимость окон; и, = рУ„сд -эквивалентная тепловая проводимость за вентиляцию; ^ - тепловыделение от внутреннего оборудования

Данную систему уравнений можно описать уравнениями для переменных состояния в виде матрицы:

Где Т-вектор столбец переменных состояний; А,В -матрицы постоянных коэффициентов;/-вектор входных воздействий модели

Блок "State space" из библиотеки блоков Simulink представляет собой решение уравнения (7).

В данной главе представлены некоторые примеры применения разработанной динамической модели теплового режима здания для упрощенной модели помещения с целью оценки влияния нестационарного режима подачи тепла на его экономию. В качестве примера, расчеты проведем для типичного офисного помещения с размерами 6х4м и высотой Зм. Помещение имеет две наружные стены площадью 27м2 с окном площадью Зм2. Повышение температуры внутреннего воздуха после включения отопления приведено на рис.1. В этом случае необходимая мощность отопительного прибора для обеспечения нормативной температуры внутреннего воздуха (20°С) равна тепловой нагрузке помещения при стационарном режиме работы отопления. Как видно из рис.1, при низких температурах наружного воздуха время предварительного подогрева уменьшается. Это объясняется тем, что при низких температурах наружного воздуха мощность отопительного прибора больше чем в других случаях и поскольку тепловая емкость воздушной массы в помещении по сравнению с тепловой емкостью ограждающей конструкции очень мала повышение температуры воздуха в обогреваемом помещении происходит за короткое время. Максимальная экономия энергии достигается при минимизации времени натопа. Минимизации времени натопа можно достигнуть при использовании отопительного прибора с большой мощностью или всей имеющейся в резерве установочной мощности источника. Исследовано влияние мощности отопительного прибора на время предварительного подогрева помещения до требуемой температуры и далее использовано при расчете прерывистой теплоподачи в помещении. На рис.2 представлен график изменения температуры внутреннего воздуха во время предварительного подогрева (натопа) и также при суточном режиме работы системы отопления. Включение отопительного прибора происходило при

Т = AT + BI

(7)

достижении температуры в помещении значения 18"С, а отключение соответственно при 22°С.

О 100 200 300 400 500 600 70D 800 S00 1000 Время, юга

Рис.1. Зависимость изменения температуры внутреннего воздуха от температуры наружного воздуха после включения отопления

Рис.2. Изменение температуры внутреннего воздуха во время предварительного подогрева (натопа) и суточном режиме работы системы отопления

Оценка влияния колебания температуры наружного воздуха на тепловой баланс помещения произведена путем выполнения расчета теплового баланса помещения при синусоидальном колебании температуры наружного воздуха с среднесуточной температурой -20°С и амплитудой 5°С. Результат расчета показывает, что амплитуда колебаний температуры внутреннего воздуха в помещении остается в пределах 0.5-1 °С но график изменения температуры внутреннего воздуха и наружного воздуха имеют разность фазы по времени около 8ч.

Получены также данные по изменению температуры внутреннего воздуха в период после отключения отопительного прибора. В данном помещении через

3-15ч температура внутреннего воздуха уменьшается до 6°С. При этом температура внутренней поверхности наружного ограждения получена около 5°С. Это значит, что возможно отключить отопление на срок до 3ч, так как температура внутренней поверхности наружного ограждения при этом остается выше точки росы и на внутренних поверхностях стен конденсации не происходит.

С целью оценки экономии тепла при прерывистой его подаче было проведено сравнение суточного расхода тепла при непрерывистой теплоподаче с прерывистой теплоподачей. Необходимая мощность отопительного прибора при непрерывной и прерывной подаче тепла в зависимости от температуры наружного воздуха представлена в таблице 1. Из таблицы 1. видно, что экономия тепла в процентах мало зависит от температуры наружного воздуха и практически не меняется.

Сравнение результатов показывают что, прерывистое отопление является экономически выгодным в тех помещениях, в которых периодическое отопление возможно в течение значительной части отопительного периода, но требует более высокой подачи тепла в период натопа.

Таблица 1. Суточная экономия тепла при прерывистой теплоподаче в зависимости от __температуры наружною воздуха__

Температура наружного воздуха,°С Мощность отопительной Установки, Вт Суточный расход тепла, кДж, при теплоподаче Суточная экономия тепла в % при перерыве

Непрерывной Прерывистой с перерывом 8ч Непрерывной Прерывистой с перерывом 8ч

0 2200 3200 190000 144720 23,8

-5 2700 3400 233280 168120 27,9

-10 3200 3600 276480 191520 30,7

-15 3650 3850 315360 223920 28,9

-20 4100 4100 354240 255600 27,8

-25 4600 4600 397440 286200 28

-30 5050 5050 436320 298620 31,5

В третьей главе исследуется математические модели солнечного коллектора, бака-аккумулятора и системы солнечного водонагревателя в целом.

На основании предварительного рассмотрения, проведенного в первой главе, для математического моделирования и изучения нестационарного теплового режима солнечного коллектора выбрана следующая схема воздушного коллектора с одним стеклом, представленная на рис.3.

Исследована возможность использования модели турбулентности в

нестационарном режиме для гладкой пластины в плоском канале аналогично течении путем эксперимента и численного расчета. Эксперимент проведен для нестационарного потока воздуха на гладкой пластине в плоском канале аналогично течению в канале солнечного коллектора. Параллельно численные расчеты проводились с использованием программы Phoenics в условиях

близких к экспериментальной модели. Наблюдалось хорошее совпадение с погрешностью 6-14% и можно сделать вывод, что нестационарный вид к -е модели можно использовать для определения локальных характеристик течении в нестационарных режимах.

При изучении солнечных коллекторов необходимо знать коэффициент теплообмена между двумя плоскими пластинами для турбулентного течения. Во многих учебниках по теплообмену приводятся разные соотношения для определения коэффициента теплоотдачи. В данной работе с целью выбора самой подходящей формулы для дальнейшей работы, выбраны три эмпирических формулы и их результаты по расчету коэффициента теплоотдачи были сравнены с результатами численных расчетов через число Нуссельта с помощью пристенных функций. В результате показано, что эмпирическое соотношение Ии =0 0158Кеи01 на основе данных Кэйса имеет относительно низкую погрешность. Поэтому и было использовано для дальнейшего рассмотрения, теплоотдачи в канале коллектора. На рис.4 представлено сравнение эмпирических и численных результатов расчетов коэффициента теплоотдачи.

0( 08 I 12 14 Цм), по дат« коллектора

Рис.4. Зависимость коэффициента теплоотдачи по длине канала для эмпирического и

численного решения при разных числах Рейнольдса

Далее в работе исследуется численного двухмерного моделирование воздушного солнечного коллектора. С помощью вычислительного комплекса Phoenics было получено распределение скорости, давления и температуры по длине и высоте канала. На рис.5 показано распределение температура воздуха пластины и стеклянного покрытия вдоль коллектора. Это распределение особенно важно при расчетах коллекторов с фотоэлементами для фотоэлектрического преобразования энергии. Тогда КПД каждого

фотоэлемента на поверхности пластины зависит от его температуры. Такие расчеты в данной работе сделаны для нового типа фотоэлемента с двухсторонним нагревом, которые разработаны во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).

Рис. 5. Распределение температуры по длине воздушного канала. Построено с применением программы Phoenics

Постоянное динамическое изменение показателей системы солнечного теплоснабжения усложняет задачу и делает необходимым проведение многовариантных расчетов, что практически возможно только при применении методов математического моделирования с помощью компьютерных программ. Поэтому разработана одномерная динамическая модель теплового режима солнечного коллектора, которая является основной для моделирования работы системы солнечного теплоснабжения.

Математическая модель теплового режима солнечного коллектора как модель с частично распределенными параметрами, т.е. модель, в которой раздельно учитывается температура, вдоль коллектора по времени, а температура воздуха принимается одинаковой по всей ширине и з поперечнике коллектора. Модель описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями теплового баланса для каждого элемента, входящего в нее, и в общем случае имеет следующий вид:

Для каждого контрольного объема пластины поглотителя, тепловой баланс энергии написан следующим образом:

8Т„

у г Р Р ё1

дТг

-л1Г

дх

х+бх .

(8)

плотность потока, солнечного излучения, поглощенной в

поглощенная поверхностью пластины

Где

единице поверхности пластины

-полезная энергия,

поглотителя

-поток конвекции и лучевой потери высокой температуры в единицу поверхности от пластины до стеклянного покрытия. Затем выражаем уравнение (8) через температуры в узлах:

Это уравнение может быть написано как:

8г

= аТ„_, +ЬТр,+аТр„1 +cT„+dT„ i=2 ... п-1

Где a,b,c,d,e - постоянные коэффициенты, значения, которых зависят от теплотехнических и теплофизических показателей коллектора. Рассматривая адиабатное граничное условие для первого контрольного объема, уравнение (8) может быть написано как:

Подобное уравнение для последнего контрольного объема:

!EsJL = -{c + d + 2a)T „ЛаТ,^ + сТ„ +dTCJ,+eq, (И)

Аналогично для каждого из контрольных объемов воздуха в канале коллектора и стеклянного покрытия получены подобные дифференциальные уравнения.

Теперь в виде трехдиагональной матрицы Т = AT+Bi (12)

где Т- вектор столбец переменных состояния (температур); А,В- матрицы постоянных коэффициентов; вектор входных воздействий модели

Блок "State space" из библиотеки блоков Simulink представляет собой решение уравнения (12).

Для оценки правильности результатов расчетов разработанной модели было проведено сравнение результатов определения профиля температуры в канале коллектора в разработанной модели с результатами расчетов среднемассовой температуры в численной модели. В ходе расчетов получено распределение среднемассовой температуры воздуха вдоль коллектора при стационарном состоянии. Сравнение результатов расчетов одномерной модели солнечного коллектора с численной моделью представлено на рис.6. Наблюдалось хорошее совпадение, максимальное расхождение примерно 10%. После этого можно сделать вывод, что использование одномерной модели, которая разработана в данной работе, дает достаточно правильные результаты при расчете теплового режима солнечного коллектора.

70

со ТС

50

40 30

...1.1 г ----"1

....... a if—"""""^ГГ-«"*"'*"

.............................................

■ Результаты расчетов

С.Диу(Л.рНуИ МОДЕЛИ

- Результаты расчетов Phoemcs

18

02 04 ОБ 0В 1 12 14 16

Цм).по длине коллектора

Рис.6. Сравнение результатов расчетов одномерной модели солнечного коллектора с

результатами расчетов Phoenics

Исследовано влияние расхода воздуха на коэффициент полезного действия типичного коллектора. Результаты показывают, что с увеличением расхода воздуха темп роста коэффициента полезного действия коллектора замедляется и эффективный расход для данного коллектора находится в пределах 20-40л/с. Этот результат подтверждается данными других авторов.

При рассмотрении нестационарного режима работы солнечного коллектора с помощью разработанной модели соблюдался интересный эффект нестационарного поведения коллектора. На рис.7 показан график изменения коэффициента полезного действия коллектора при изменении интенсивности солнечной радиации в течение дня. В этом случае температура окружающего воздуха и температура воздуха на входе в коллектор приняты одинаковыми и равны 20°С. При этом КПД коллектора при изменении плотности солнечной радиации не меняется. Но как видно из рис.7 КПД коллектора в конце дня (при заходе солнца приближается к единице. Это можно объяснить тем, что в определенное время к заходу солнца, когда солнечная радиация очень мала, из-за присутствия тепловой емкости конструкции коллектора полезная энергия еще производится и в результате КПД коллектора стремится к единице.

4 5 Б 7 В 9 10 11 12 13 14 15 Время с восхода солнца, ч Рис.7. Изменение плотности солнечной радиации и КПД солнечного коллектора в течение

дня

С помощью уравнения баланса энергии для бака-аккумулятора можно определить изменение его температуры во времени. В этом случае нагрузка и тепловая производительность коллектора заданы как функции времени. Тогда путем интегрирования можно определить температуру бака-аккумулятора в функции времени. Для этого использован Блок "Integrator" из библиотеки блоков Simulink

Далее в работе моделирование работы солнечной водонагревательной установки осуществлялось с использованием разработанной модели солнечного коллектора и бак-аккумулятора. Модель системы составлена из соответствующих моделей коллектора и аккумулятора. Конечный результат такого объединения состоит в выводе системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Эти уравнения включают в себя метеоданные в виде временных функций,

определяющих работу коллектора и характер нагрузки в зависимости от конкретного случая.

Рассматривается простейшая солнечная водонагревательная установка для автономного объекта в климатических условиях южных районов России (географическая широта 46 град.) и суточный расход горячей воды 300 л, что соответствует суточному потреблению горячей воды для трёх человек.

Для того чтобы дать представление о характере моделирования солнечного водонагревателя, на рис.8 представлены графики изменения суммарной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность и потребности дополнительной энергии в течение типичного дня июля. Приведенные результаты расчета относится к солнечному коллектору с площадью 8 м2 и объему бака 250 л. Уровень температуры воды для потребителя считается равным 55°С. При этом максимальный нагрев воды в баке (до 58°С) имеет место примерно к 16 часам. Максимальная потребность дополнительного источника энергии происходит к 9 часам.

В четвертой главе рассматривается единая динамическая модель здания с солнечным теплоснабжением и возможность её применения в режиме снабжения автономного объекта в условиях южных районов России.

Единая динамическая модель здания с солнечным теплоснабжением объединяет и синхронизирует по времени работу четырех основных математических моделей, описание которых приведено в главах 2 и 3: 1. Модель определяющая тепловые характеристики и нагрузки здания. 2. Модель теплотехнического анализа солнечного коллектора. 3. Модель работы бака аккумулятора и теплообменников. 4. Модель генерирующих климатических воздействий.

Модель выполнена с использованием Simulink. Модель обеспечивает удобный и наглядный визуальный контроль за поведением теплового режима

системы солнечного теплоснабжения.

В качестве месторасположения рассчитываемых систем солнечного теплоснабжения в данной работе рассматривается территория Республики Калмыкия, на которой годовая продолжительность солнечного сияния находится в пределах 2175 — 2350 часов и, которая является одним из наиболее благоприятных регионов Российской Федерации с этой точки зрения. В расчетном плане рассматривались следующие режимы работы солнечных установок: 1. Участие в покрытии нагрузки отопления и горячего водоснабжения (теплоснабжения); 2. Участие в покрытии нагрузки только горячего водоснабжения; 3. Участие в покрытии нагрузки только отопления.

В качестве базового объекта для проведения моделирования был выбран типичный одноэтажный 4-х квартирный жилой дом блочного типа с площадью 428м2, спроектированный по линии социального жилья.

В данной главе с целью выяснения эффективности использования установок солнечного теплоснабжения для южных районов России проведено расчетное определение основных характеристик солнечных установок теплоснабжения. Расчеты проводились с помощью разработанной программы для разных конфигураций. Учитывая определенную нагрузку, который является функцией времени в течение года, тип коллектора и конфигурацию системы, первичной переменной проекта является размер коллектора.

Полученные результаты зависимости коэффициент замещения от площади коллекторов для одного из трех режимов представлены на рис.9. Видно что с увеличением площади солнечных коллекторов темп роста годового коэффициента замещения замедляется и дорогостоящее солнечное оборудование простаивает большой период времени. Поэтому встает вопрос об оптимальной площади солнечных коллекторов, при которой будет получена максимальная экономическая выгода от использования солнечных систем.

Основная проблема широкого использования солнечных тепловых установок связана с их экономической эффективностью по сравнению с традиционными системами, что определяется более высокой стоимостью энергии, вырабатываемой солнечными установками, чем получаемой при использовании традиционных топлив. Экономические расчеты показаны, что для систем солнечного водонагревателя и солнечного теплоснабжения, при использовании солнечных коллекторов с площадью больше 70м2 нет экономического эффекта, и для системы солнечного отопления вообще при указанных стоимостях коллекторов и традиционного источника энергии экономический эффект не существует. Для того чтобы найти оптимальные площади солнечных коллекторов проводились расчеты суммарных годовых затрат при разных стоимостях коллекторов и традиционного источника энергии. Некоторые результаты расчетов показаны на рис.10. Из рассмотрения рис.10 видно, что с экономической точки зрения оптимальная площадь солнечных коллекторов для системы солнечного водонагревателя лежит в пределах 20-30м2. При этом коэффициент замещения составляет 0.29-0.36(см. рис.9). Подобно оптимальная площадь для системы солнечного теплоснабжения в пределах 20-40м2 и коэффициент замещения 0.10.15 И для системы солнечного отопления при указанных стоимостях, как

показано выше нет экономического эффекта.

Обобщение результатов расчетов для системы солнечного водонагревателя при разных стоимостях коллекторов и традиционного источника энергии представлено на рис.П. Из рассмотрения рис.11 следует что если в качестве традиционного источника энергии используется электроэнергия с ценой 0 034 $/кВт.ч (в Калмыки) тогда использование солнечных установок целесообразно при стоимостях коллекторов 150$/M2 и меньше и для угла с ценой 0 021 $/кВт.ч при стоимостях 100$/м2 и меньше.

0 80

¡070

|060 tt>

>050

(В

"040

§030

»020 ■е в-010

Joco

0 20 40 60 80 100 120 140 Плошадь коллекторе) м2

Рис.9. Зависимость годового коэффициента замещения от площади солнечных коллекторов для системы солнечного водонагревателя

•» 1900

1

11700 Я 1500

2 1300

| 1100

S 900 £

I 700 о 500

0 20 40 60 80 100 120 140 Площадь коллекторов м2

Рис.10. Суммарные годовые затраты системы для системы солнечного водонагревателя _ при стоимости коллекторов 100$/м2 и стоимости энергии 0.034 $/KBT

13 60

003 0 04 О С5 0 06 0 07 Стоимость энергии S/КВт ч

0 08 0 09

-«-50$/М2 -*-100$/М2 -*-150$/М2 -*-200$/М2

Рис.11 Оптимальная площадь коллекторов для системы солнечною водонагревателя

Основные результаты работы

1.Разработана динамическая модель теплового режима здания, что позволяет нам определять реальное энергопотребление любого периода эксплуатации и прерывистого режима отопления, учитывает взаимосвязь, между элементами включая элементы автоматики. На основе этой модели рассмотрена эффективность экономии топлива при периодической подаче тепла в помещение.

2.Получены экспериментальные данные по поведению поверхности пластины при нестационарном режиме в аналогичных условиях работы солнечного коллектора и проведены численные расчеты локальных характеристик. Хорошее совпадение результатов позволило использовать при дальнейших расчетах течения в канале коллектора К - е модель турбулентности.

3. Создана одномерная модель солнечного коллектора для определения тепловых характеристик в нестационарных условиях. Модель учитывает распределение температуры вдоль коллектора, и позволяет определить коэффициент полезного действия коллектора с учетом изменения коэффициент тепловых потерь. Показано, что при расчете солнечного коллектора можно с точностью 10% использовать одномерную модель. На основе этой модели показано влияние нестационарного режима работы солнечного коллектора на его КПД.

4.Получены данные и предложена система охлаждения нового типа фотоэлемента с двухсторонним нагревом. Данные по температурам элементов гибридного коллектора позволяют нам оценить увеличение не только КПД фотоэлектрического преобразования, но и всей системы в целом.

5.Разработана единая динамическая модель теплового режима здания с системой солнечного теплоснабжения и её элементов. Модель позволяет проводить предварительные расчеты и оценки возможной эффективности системы солнечного теплоснабжения и определить реальную потребность дополнительного источника энергии.

6.Проведены расчеты экономической эффективности использования воздушных коллекторов в климатических условиях южных районов России. Показано, что использование воздушных солнечных коллекторов при участии в покрытии нагрузки отопления и горячего водоснабжения или покрытии нагрузки только горячего водоснабжения целесообразно, но при участии в покрытии нагрузки только отопления нецелесообразно.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях;

1 .Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Нестационарный прогрев солнечного коллектора // 8-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Москва, 2002.-Т.З.-С.46-47.

2.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д., Тюхов И.И., Ярцев Н.В. Тепловые режимы фотоэлемента в параболоцилиндрическом желобковом концентраторе с принудительным воздушным охлаждением // Материалы 1-й Нижневолжской научно-практической конференции «Энергосбережение и энергообеспечение

20

»16344

на базе возобновляемых источников энергии и нетрадиционных технологий»: докл. -Волжский, 2002. - Т.1. - С. 101-106.

3.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Динамическое моделирование теплового режима здания с использованием МАТЬАВ/81тиИпк. // Труды 3-й Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники»: докл. - Киев, 2003.-Т.25. -С.373-374.

4. Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Простое моделирование солнечного коллектора с использованием МАТЬАВ/81тиЦпк // Материалы Международной конференции «Энергия и окружающая среда»: докл. — Брак (Ливия), 2003. - С. 1-7. (на английском языке)

5.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Расчет процесса нестационарного нагрева отдельного помещения //Энергосбережение, теплоэнергетика и металлургическая теплотехника: Сб. науч. тр. / Под. ред. Б. К. Сеничкина. - Магнитогорск: МГТУ, 2003; -С. 79-84.

6.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Нестационарные режимы течения воздуха в канале солнечного коллектора // 10-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Гез. докл.-Москва, 2003.- Т.2.-С. 345.

7.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д., Тюхов И.И. Расчет тепловых режимов двухстороннего приемника излучения в статическом солнечном концентраторе // Труды 4-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве»: докл. -Москва, 2004.-Часть 4.-С. 114-120.

8.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Тюхов И.И. Расчет теплового режима гибридного солнечного концентратора с двухсторонними солнечными элементами // Материалы четвертой всероссийской научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии»: докл. -Москва, 2003. - С.28-31.

9. Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Исследование нестационарных режимов элементов системы теплоснабжения здания с гелиоколлектором // 5-й Минский международный форум по тепло - и массообмену: Тез. докл. -Минск, 2004. - Т1.-С.

154-155.

Тираж 100

Печ. л..

Типография МЭИ (ТУ), Красноказарменная ул., д. 13

Условные обозначения

Введение.

Глава 1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи

1.1 Тепловой режим здания

1.1.1. Математическая модель лучистого теплообмена в помещении

1.1.2. Математическая модель конвективного теплообмена в помещении

1.1.3. Математическая модель теплопередачи через ограждающие конструкции

1.1.4. Математическая модель теплопередачи через световой проем

1.1.5. Учет внутреннего оборудования в тепловом балансе помещения

1.1.6. Существующие методы построения динамической модели теплового режима здания

1.2 Системы солнечного теплоснабжения 23 1.2.1 .Солнечные коллекторы

1.2.1.1 Основные характеристики плоских солнечных 29 коллекторов

1.2.1.2 Существующие методы математического моделирования солнечных коллекторов

1.2.1.3 Солнечный коллектор как теплообменник

1.2.2. Бак-аккумулятор и теплообменники

1.2.3. Методы расчета систем солнечного теплоснабжения.

1.3 Использование гибридных солнечных коллекторов в системах теплоснабжения 47 1.3.1. Характеристики фотоэлектрических преобразователей

1.3.2. Гибридные коллекторы

1.4 Климатические характеристики солнечного излучения

1.5 Выводы

Глава 2. Математическая модель теплового режима здания

2.1 Описание модели теплового режима здания

2.2 Модель наружных и внутренних воздействий

2.3 Нестационарный тепловой режим помещения

2.3.1. Расчетная модель помещения

2.3.2. Обогрев помещения

2.3.3. Охлаждение помещения при отключении отопления

2.3.4. Повышение энергоэффективности отопления помещения при прерывистой подаче тепла

Глава 3. Математическая модель системы солнечного теплоснабжения 3.1 3.1.1. Математическая модель расчета локальных характеристик воздушного солнечного коллектора 75 3.1.2. Экспериментальная установка и система измерения

3.1.3.Численное решение системы уравнений

3.1.4. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными

3.1.5. Разностная аппроксимация граничных условий.

3.1.6. Численное моделирование воздушного солнечного коллектора

3.1.7. Расчет теплового режима солнечного гибридного коллектора с двухсторонними солнечными элементами qq

3.2 Математическое моделирование солнечного коллектора с использованием MATLAB/Simulink

3.2.1. Сравнение разработанной модели с численной моделью солнечного коллектора

3.2.2. Некоторые результаты расчетов динамической модели солнечного коллектора

3.2.3.Влияние нестационарного режима работы солнечного коллектора на его КПД

3.3 Моделирование бака - аккумулятора и теплообменников

3.4 Анализ эффективности системы солнечного водонагревателя

3.4.1. Моделирование системы солнечного водонагревателя

3.4.2.Расчетные параметры системы солнечного водонагревателя

3.4.3. Результаты моделирования работы солнечного водонагревателя и обработки данных

Глава 4 Моделирование работы системы солнечного теплоснабжения здания

4.1 Единая математическая модель здания с солнечным 111 теплоснабжением

4.2 Применение разработанной модели в условиях южных районов России

4.2.1. Климатические условия Республики Калмыкия

4.2.2. Расчетная модель здания

4.2.3. Моделирование тепловой нагрузки с применением разработанной модели. ^^

4.2.4. Моделирование системы солнечного теплоснабжения выбранного объекта

4.3 Экономические характеристики использования солнечного теплоснабжения

4.3.1. Анализ эффективности системы солнечного теплоснабжения для заданного объекта

4.3.2. Социально-экономические потребности в солнечной энергии

Здания, как основные объекты строительства, потребляют в промышленно развитых странах до 30-50% всех ископаемых видов топлива для выработки тепловой энергии на отопление, горячее водоснабжение и реже на кондиционирование воздуха [1,2,3].

На территории России сосредоточено 45% мировых запасов природного газа, 13% -нефти, 23% -угля , 14% -урана [4]. Такие запасы топливно-энергетических ресурсов могут обеспечить потребности страны в тепловой и электрической энергии в течение сотен лет. Однако фактическое их использование обусловлено существенными трудностями и опасностями, не обеспечивает потребности многих регионов в энергии, связано с безвозвратными потерями топливно-энергетических ресурсов (до 50%), угрожает экологической катастрофой в местах добычи и производства топливно-энергетических ресурсов. В то же время 25 млн. человек проживают в районах автономного энергоснабжения или ненадежного централизованного энергоснабжения, занимающих более 70% территории России.

Задачи удовлетворения существующих потребностей населения и промышленности в тепловой энергии, особенно в районах, удаленных от централизованных энергетических сетей, приводят к необходимости развития возобновляемой энергетики, в том числе нетрадиционной и малой. Это также обусловлено необходимостью решения глобальных проблем обеспечения человечества энергией в будущем, связанных с ограниченностью запасов ископаемых видов топлива и требованиями обеспечения экологической безопасности.

Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности является наиболее перспективным энергоресурсом для получения тепла и холода, особенно в области невысоких температур [5]. Природно-климатические условия России, особенно юга страны, где бывает до 300 солнечных дней в году, позволяют использовать энергию солнца для покрытия значительной доли потребностей в теплоте [6].

В современных проектах зданий все чаще применяются наиболее экономичные системы отопления вентиляции и кондиционирования, а также предусматривается применение систем автоматизации, которые позволяют эффективно регулировать и контролировать потребление различных энергетических ресурсов.

Однако имеющиеся методы проектирования систем теплоснабжения зданий, как правило, основаны на закономерностях стационарного теплопереноса. Использование этих методов в реальных условиях иногда не обеспечивает требуемую точность расчетов. Это связно с тем, что факторы, которые определяют интенсивность теплообмена и прежде всего температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, непрерывно изменяются.

Поэтому исследование нестационарного теплообмена и гидродинамики при определения характеристик систем теплоснабжения представляют актуальную задачу для повышения энергоэффективности работы систем теплоснабжения зданий.

При расчете периодического отопления, режима регулирования подачи тепла в помещение, при определении времени натопа при пуске системы и допустимой продолжительности отключения отопления в аварийных условиях и многих других необходимо использовать закономерности переменного во времени процесса передачи тепла. Это особенно важно при использовании системы солнечного теплоснабжения, поскольку солнце является нестационарным источником энергии.

Такое постоянное динамическое изменение показателей системы солнечного теплоснабжения и её нагрузок еще больше усложняет задачу и делает необходимым проведение многовариантных расчетов, что практически возможно только при применении методов математического моделирования с помощью компьютерных программ.

Специфическим элементом систем солнечного теплоснабжения является солнечный коллектор. В данной работе для моделирования системы солнечного теплоснабжения выбраны воздушные виды солнечных коллекторов. Одна из причин этого выбора является та, что для гибридных коллекторов, в которых используют фотоэлементы в качестве поглощающей поверхности коллекторов для получения электрической и тепловой энергии одновременно, чаще всего используются воздушные коллекторы, и использование гибридных коллекторов в настоящее время является одним из самых перспективных методов преобразования солнечной энергии.

Целью диссертационной работы является изучение нестационарных процессов обеспечения теплоты здания на основе использования солнечной энергии как нетрадиционного источника энергии. Для достижения поставленной цели был поставлен ряд относительно самостоятельных, но взаимосвязанных задач в частности:

-Разработать динамическую модель теплового режима здания. -Провести численное и экспериментальное исследование локальных характеристик полей скорости и температур в канале плоского солнечного воздушного коллектора для создания его математической модели. -Разработать динамическую модель солнечного коллектора и бака аккумулятора.

-Разработать единую математическую модель теплового режима здания с солнечным теплоснабжением.

-Применить разработанную модель в режиме теплоснабжения автономного объекта с целью определения экономической целесообразности использования солнечного теплоснабжения в южных районах России.

Научная новизна работы: 1.Разработана динамическая модель теплового режима помещения ориентированная на исследования нестационарных тепловых режимов здания, которая позволяет определять реальное энергопотребление любого периода эксплуатации и прерывистого режима отопления, учитывает взаимосвязь, между элементами включая элементы автоматики. На основе разработанной модели получены количественные данные о динамике изменения температуры внутреннего воздуха помещения при разных температурах наружного воздуха.

2.Получены экспериментальные данные по изменению температуры поверхности пластины при нестационарном режиме в аналогичных условиях работы солнечного коллектора и проведены численные расчеты локальных характеристик. Хорошее совпадение результатов позволило использовать при дальнейших расчетах течения в канале коллектора K-s модель турбулентности.

3.Создана одномерная модель солнечного коллектора для определения тепловых характеристик в нестационарных условиях. Модель учитывает распределение температуры вдоль коллектора, и позволяет определить коэффициент полезного действия коллектора с учетом изменения коэффициент тепловых потерь. Проведено сравнение разработанной одномерной модели с двумерной моделью и показано, что при расчете солнечного коллектора можно с точностью 10% использовать одномерную модель.

4.При использовании разработанной модели получены количественные данные об изменении КПД коллектора во времени и показано, что влияние нестационарного режима работы солнечного коллектора приводит к росту КПД коллектора при отсутствии солнечной радиации в конце дня.

5.Получены данные о распределении температуры вдоль гибридного коллектора, в котором используется новый тип фотоэлемента с двухсторонним нагревом и предложена для него система охлаждения.

6.Разработана единая модель теплового режима здания с системой солнечного теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения), которая учитывает параметров наружного воздуха, теплопередачи через ограждающие конструкции, тепловых потоков, условий внутреннего объема помещения и влияния характеристики системы солнечного теплоснабжения.

7.Проведены расчеты коэффициента замещения на базе созданной модели в режиме теплоснабжения конкретного реального объекта с целью определения экономической целесообразности использования солнечного теплоснабжения в южных регионах России.

Практическая значимость. Математические модели солнечного коллектора и здания могут быть использованы при проектировании новых солнечных коллекторов и их испытании, оптимизации характеристик течения, уменьшении стоимости солнечных систем, изучении нестационарных тепловых процессов в зданиях. Полученные данные и программы можно использовать при проектировании систем теплоснабжения, горячего водоснабжения и электроснабжения индивидуальных домов.

Основные положения, выносимые на защиту: -Математическая модель нестационарного теплового режима помещения -Результаты расчетов динамики изменения температуры внутреннего воздуха помещения при разных температурах наружного воздуха. -Математическая модель солнечного коллектора для определения тепловых характеристик в нестационарных условиях.

-Результаты экспериментальных и численных расчетов поведения поверхности при нестационарном режиме аналогично течению в канале солнечного коллектора и использования К - е модель турбулентности. -Полученные результаты расчетов влияния нестационарного режима работы солнечного коллектора на его КПД.

-Единая динамическая модель теплового режима здания с системой солнечного теплоснабжения и её элементов.

-Результаты расчетов коэффициента замещения на базе созданной модели и экономической эффективности использования воздушных коллекторов в климатических условиях южных районов России при участии в покрытии нагрузки отопления и горячего водоснабжения

Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения представлены в следующих публикациях:

1.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Нестационарный прогрев солнечного коллектора // 8-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Москва, 2002.- Т.З. - С. 46-47.

2.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д., Тюхов И.И., Ярцев Н.В. Тепловые режимы фотоэлемента в параболоцилиндрическом желобковом концентраторе с принудительным воздушным охлаждением // Материалы 1-й Нижневолжской научно-практической конференции «Энергосбережение и энергообеспечение на базе возобновляемых источников энергии и нетрадиционных технологий»: докл. -Волжский, 2002. - Т.1. - С. 101-106.

3.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Динамическое моделирование теплового режима здания с использованием MATLAB/Simulink. // Труды 3-й Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники»: докл. - Киев, 2003.- Т.25. -С.373-374.

4. Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Простое моделирование солнечного коллектора с использованием MATLAB/Simulink // Материалы Международной конференции «Энергия и окружающая среда»: докл. - Брак (Ливия), 2003. - С. 1-7. (на английском языке)

5.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Расчет процесса нестационарного нагрева отдельного помещения //Энергосбережение, теплоэнергетика и металлургическая теплотехника: Сб. науч. тр. / Под. ред. Б. К. Сеничкина. -Магнитогорск: МГТУ, 2003. -С. 79-84.

6.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Нестационарные режимы течения воздуха в канале солнечного коллектора // 10-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Москва, 2003.- Т.2.- С. 345.

7.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д., Тюхов И.И. Расчет тепловых режимов двухстороннего приемника излучения в статическом солнечном концентраторе // Труды 4-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве»: докл. -Москва, 2004. -Часть 4. -С. 114-120.

8.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Тюхов И.И. Расчет теплового режима гибридного солнечного концентратора с двухсторонними солнечными элементами // Материалы четвертой всероссийской научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии»: докл. -Москва, 2003. - С.28-31.

9. Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Исследование нестационарных режимов элементов системы теплоснабжения здания с гелиоколлектором // 5-й Минский международный форум по тепло - и массообмену: Тез. докл. -Минск, 2004. - Т1.-С. 154-155.

10. Вейси Ф., Сергиевский Э.Д. Тепловая модель солнечного воздушного коллектора // 2-я школа-конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики »: докл. -Украина- Алушта, 2004.

11.Вейси Ф., Сергиевский Э.Д., Тюхов И.И. Автоматизация проектирования установок на базе возобновляемых источников энергии с использованием MATLAB/Simulink // Международная научно-техническая конференция «Автоматизация сельскохозяйственного производства»: докл. -Москва, 2004

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1 .Разработана динамическая модель теплового режима здания, позволяющая определять реальное энергопотребление эксплуатации, прерывистого режима отопления и учитывающая взаимосвязь, между элементами включая элементы автоматики. На основе этой модели рассмотрена эффективность экономии топлива при периодической подаче тепла в помещение.

2.Получены экспериментальные данные по изменению температуры поверхности пластины при нестационарном режиме в аналогичных условиях работы солнечного коллектора и проведены численные расчеты локальных характеристик. Хорошее совпадение результатов позволило использовать при дальнейших расчетах течения в канале коллектора К-е модель турбулентности.

3. Создана одномерная модель солнечного коллектора для определения тепловых характеристик в нестационарных условиях, которая учитывает распределение температуры вдоль коллектора, и позволяет определить коэффициент полезного действия коллектора с учетом изменения коэффициент тепловых потерь. Показано, что при расчете солнечного коллектора можно с точностью 10% использовать одномерную модель. На основе этой модели показано влияние нестационарного режима работы солнечного коллектора на его КПД.

4.Получены данные и предложена система охлаждения нового типа фотоэлемента гибридного коллектора с двухсторонним нагревом. Данные по температурам элементов гибридного коллектора позволяют оценить увеличение не только КПД фотоэлектрического преобразования, но и всей системы в целом.

5.Разработана единая динамическая модель теплового режима здания с системой солнечного теплоснабжения. Модель позволяет проводить предварительные расчеты и оценки возможной эффективности системы солнечного теплоснабжения и определить реальную потребность дополнительного источника энергии. б.Проведены расчеты экономической эффективности использования воздушных коллекторов в климатических условиях южных районов России. Показано, что использование воздушных солнечных коллекторов целесообразно при участии в покрытии нагрузки отопления и горячего водоснабжения или покрытии нагрузки только горячего водоснабжения. При участии в покрытии нагрузки только отопления нецелесообразно.

1. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 139 е.: ил.

2. Al-Rabghi О. М., Douglas С. Hittle, Energy simulation in buildings: overview and BLAST example. //Energy conservation and management, 2001, No. 42, pp. 1623-163 5

3. Mathews E. H., Botha C. P., Improved thermal building management with the aid of integrated dynamic HVAC simulation.// Building and environment, 2003, No. 38, pp. 1423-1429

4. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / Коллектив авторов. СПб.: Наука, 2002.314с.

5. Wagner A., Romel М. Renewable energy market overview. // Renewable Energy World, 2000, vol. 4, No. 1, pp. 97-99.

6. Валов М.И., Казанджан Б.И., системы солнечного теплоснабжения, издательство МЭИ, 1991, с. 139.

7. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. М.: АВОК-ПРЕСС, 2002.-194с.: ил.

8. Богословский В.И. Строительная теплофизика. М.: Стройиздат, 1982.

9. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Наука, 1972.

10. Hittle D. С., The building loads analysis and system thermodynamics (BLAST) program, CERL. Technical Report E-119, US Army construction engineering research laboratory, Champaigon, Illinois, 1977

11. BLAST, Building loads analysis system thermodynamics, User's manual, Version 3, University of Illinois, Urbana, Champain, Blast support office, II., USA, 1986

12. LBL, DOE2, Engineers manual version 2.1 A, LBL 11353, Lawrence Berkeley laboratory, The national technical information service (NTIS) provides DOE-2 documentation De-830-04575, Berkley CA, 1982

13. LBL, DOE2, Reference manual version 2.1 A, LBL 8706 rev. 2, Lawrence Berkeley laboratory, The national technical information service (NTIS) provides DOE-2 documentation De-830-04575, Berkley CA, 1982

14. Kusuda Т., NBSLD, the computer program for heating and cooling loads in buildings, Building science series 69, National bureau of standards, Washington, DC, 1976

15. Kusuda Т., NBSLD, computer program for heating and cooling loads in buildings, NBSIR 75-574, National bureau of standards, Washington, Dc, 1974

16. Klein S. A., Beckman W. A., Duffle J. A., A method of simulation of solar processes and its application, Solar energy, Vol. 17, № 1, 1975,pp. 29-37.

17. Klein S.A., TRANSYS-A Transient simulation program, solar energy laboratory, University of Wisconsin, Madison, report № 38, 1973, pp. 3 -16.

18. Mitalas G. P., Calculation of transient heat flow through walls and roofs, ASHRAE transactions, vol. 74, part 2. 1968.

19. Hjertager В. H. and Magnussen В. F., Numerical prediction of three dimensional turbulent flow in a ventilated room, Heat transfer and turbulent buoyant convection, Washington, Hemisphere Pub. Cop. 1977.

20. Sakamoto Y. and Matsuo Y., Numerical predictions of three-dimensional flow in a ventilated room using turbulence models, App. Math. Modeling, vol.4, no. 1, 1980

21. Holmes M. J., The application of fluid mechanics simulation program PHOENICS to a few typical HVAC problems, Ove Arup & Partens, London, 1982

22. Reinartz A. and Renz U., Calculation of temperature and flow field in a room ventilated by a radial air distributor, Int. J. of Refrigeration, vol. 7, no.5 pp. 308-312, 1984

23. Chen Qingyan, Indoor air flow air quality and energy consumption of buildings, Krips Repro Meppel, 1988.

24. Clarke JA. Energy simulation in building design, Bristol: Adam Hilger, 1985.

25. The Phoenics journal of computational fluid dynamics and its applications, vol. 5, no. 4, London: CHAM Ltd., 1992, 421-448c.

26. The Phoenics journal of computational fluid dynamics and its applications, vol. 9, no. 2, London: CHAM Ltd., 1996, 210-228c.

27. The Phoenics journal of computational fluid dynamics and its applications, vol. 10, no. 1, London: CHAM Ltd., 1997, 57c.

28. The PHOENICS Reference Manual. (Version 3.3). London: CHAM Ltd., 1996

29. Gouda M. M., Danaher S., Underwood C. P., Building thermal model reduction using nonlinear constrained optimization, Building and Environment, 28(2), 2002, pp. 1255-1265

30. Lorenz F., Masy G., methode d'evaluation de Teconomie d'energie apportee par Tintermittence de chauffage dans les batiments.

31. Traitement par differences finies d'un model a deux costantes de temps, eport No. GM820130-01. Faculte des Sciences Appliquees, University de Liege, Belgium, 1982 (in French)

32. Tindale A., Third-order lumped-parameter simulation method, Building Services Engineering Research & Technology 1993, 14(3), pp. 87-97

33. Achterbosch GGJ, de Jong PPG., Krist-spit CE., Van der meulen SF., Verberne J., The development of a convenient thermal dynamic building model, Energy and buildings, 1985, No.8, pp. 183-96

34. Mendes N., Richardo C. L. F., de Oliveira, Gerson H. dos Santons, DOMUS 1.0: A Brazilian PC program for building simulation, Proceeding of the IBPSA building simulation, Rio de Janiro, Brazil, 2001, pp. 83-88

35. Mendes N., Gerson H. dos Santons, Dynamic analysis of building hygrothermal behavior, Proceeding of the IBPSA building simulation, Rio de Janiro, Brazil, 2001, pp. 117-23

36. Mendes N., Gustavo H.C., Oliveira, Humberto X. de Araujo, Building thermal performance analysis by using MATLAB/simulink, Proceeding of the IBPSA building simulation, Rio de Janeiro, Brazil, 2001, pp. 473-80

37. Попель O.C. Эффективность применения солнечных водонагревателей в климатических условиях средней полосы России // Энергосбережение. 2001. № 1. С. 30-33.

38. Бекман У. А., Клейн С. А., Даффи Дж. А., Расчет систем солнечного теплоснабжения, М. Энергоиздат, 1982.

39. Содонов Б. И., Разработка систем энергоснабжения на основе солнечных модулей с асимметричными параболоцилинд-рическими концентраторами автономных сельскохозяйственных объектов Забайкалья, Дисс. канд. техн. наук. М.: ВИЭСХ, 2004.180 с.

40. Арикат. С. М., Гибридная система тепло и электроснабжения применительно к жилому сектору Иордании, Дисс. канд. техн. наук. -М.: МЭИ, 2001.-138 с.

41. Даффи Дж.А., У.А.Бекман, Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М. Мир, 1977.

42. Tripanagnostopoulos Y., Nousia Th., Souliotis M. and Yianoulis P. Hybrid photovoltaic/thermal solar systems. //Solar Energy, 2002, vol.72, Issue 3, pp 217-234

43. Крейт Ф., Блэк У., Основы Теплопередачи, Мир, М., 1983.

44. Agarwal V.K. and Larson D.C. Calculation of the top loss coefficient of a flat plate collector.// Solar Energy, 1981,vol.27,pp 69-71

45. Tabor H., The testing of solar collectors, the scientific research foundation, Jerusalem, 1975 and ISES congress, los Angeles, paper 33/8, 1975

46. Nidal H., Abu-Hamde, Simulation study of solar air heater, Solar Energy, Vol. 74, Issue 4, April 2003, pp. 309-17

47. Al-Ajlan S.A., Al Faris H., Khonkar H., A simulation modeling for optimizition of flat plate collector design in Riyadh, Saudi Arabia, Renewable Energy 28, 2003, pp. 1325-39

48. ГОСТ 28310-89, Коллекторы солнечные, общие технические условия, М.'Госстандарт, 1989

49. Exell R. Н. В., Professor Exell's Notes for Students,King Mongkut's University of Technology Thonburi,2000

50. Whitker S., Forced convection heat transfer correlations for flow in pipes, past flat plates, single cylinders, single spheres, and for flow in packed beds and tybes bundles, AICHE J., vol.18, № 26 1972,. pp. 361-371.

51. Coney J.E.R., kaztvinejad H., Sheppard C.G.W., An experimental study of separated flow over a thick plate, Second UK National Conference on Heat Transfer, Glasgow, vol. 1, 1988, pp. 761-772.

52. Smith J. G., Comparision of transient models for flat-plates and trough concentrators, J. Solar Energy Eng. 108, 1986, pp. 341-44

53. Satio A., Utaka Y., Tsuchio Т., Katayama K., Transient response of flat plate solar collectors for periodic solar intensity variation, Solar Energy 32, 1984, pp. 17-32

54. Chiou J. P., The effect of nonuniform fluid flow distribution on the thermal performance of solar collector, Solar Energy 29, 1982, pp. 487-502

55. Oliva A., Costa M., Perez Segarra C. D., Two and three dimensional aspects in the thermal behavior solar collectors, Adv. Solar Energy Tech. 2, 1988, pp. 1076-80

56. Oliva A., Costa M., Perez Segarra C. D., Numerical simulation of solar collectors: the effect of nonuniform and nonsteady state of the boundary conditions, Solar Energy vol.47, No. 5, 1991, pp. 359-373

57. Colomer G., Cadafalch J., Costa M., Numerical study of a solar collector, Proc. International forum on renewable energies FIER'2002, 2002, pp. 66-71

58. Сергиевский Э. Д., Медведев А. В., Haccap Я. Ф.б, Теплопередача в плоском воздушном солнечном коллекторе, М: Вестник МЭИ, № 5, 2001 г., СС. 25-30

59. Метод расчета солнечных водонагревателей / использование солнечной энергии / АН СССР, № 1, 1957, сс. 177-201.

60. Рекомендации по расчету и проектированию систем горячего водоснабжения с солнечными водонагревательными установками, Ташкент, АН УзбССр.ФТИ, 1977.

61. Klein S. A., et al., TRANSYS A transient simulation program, Solar energy laboratory, University of Wisconsin Madison, WI 53706, USA, 1996

62. Knight R. M., Klein S.A., Duffie J. A., A methodology for synthesis of hourly weather data, Solar energy 46(2), 1991, pp. 109 20.

63. Klein S. A., Beckman W. A., A general design method for closed loop-solar energy systems, Solar energy, Vol. 22, №14, 1979, pp.269-282.

64. Klein S. A., Calculation of flat-plate collector utilizability, Solar energy, vol. 21, № 6, 1978, pp. 393-402.

65. Андреева JI. В., Смирнов С. И., Тарнижевский Б. В., Чебунькова О. Ю., Расчет тепло производительности систем солнечного горячего водоснабжения для южных районов СССР, Гелиотехника, № 3, 1983,.сс. 39-42.

66. В. М. Андреев, В. А. Грилихес, В. Д. Румянцев, фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения, ленин. Отд., 1989.

67. Jie Ji, Chow Т. Т., Wei Не, Dynamic performance of hybrid photovoltaic/thermal collector wall in Hong Kong, Building and environment, No.38, 2003, pp. 1327-1334

68. Garg H. P., Adhikari R. S., System performance studies on a photovoltaic/thermal (PV/T) air heating collector, Renewable energy, No. 16, 1999, pp. 725-730

69. Chow Т. Т., Performance analysis of photovoltaic-thermal collector by explicit dynamic model, Solar energy, No.75, 2003, pp. 143-152

70. Renewable energy project analysis: Enginreeing & cases textbook, Minister of natural resources Canada, 2001-2002

71. Huang B. J., Lin Т. H., Hung W. C., Sun . S., Performance evaluation of solar photovoltaic/thermal systems, Solar energy, Vol. 70, No. 5, 2001, pp. 443-448

72. Wolf M., univ. of Pennsylvania, частное сообщение, 1972.

73. Bear S., The drum wall, in: proceedings of the solar heating and cooling for buildings workshop, alien R., ed., university of Maryland, Washington, march 21 to 23 1973.

74. Lalvoic В., Kiss Z., Weakliem H., A hybrid amorphous silicon photovoltaic and thermal solar collector, Solar Cells 19, 1986, pp. 131-38

75. Huang B. J., Lin Т. H., Hung W. C., Sun F.S., Performance evaluation of solar photovoltaic/thermal systems, Solar Energy 70, 2001, pp. 44348

76. Jones A. D., Underwood C. P., A thermal model for photovoltaic systems, Solar Energy Vol. 70, No. 4, 2001, pp. 349-59

77. Bansal N. K., Kleemann M. and Melles M. Renewable energy sources and convertion technology, Tata McGraw-Hill, New Dehli, 1990

78. Валов М.И., Горшков Б.Н., Некрасова Э.И. О точности определения интенсивности солнечной радиации при расчетах гелиоустановок //Гелиотехника. 1982. № 6. С. 47-50.

79. Справочник по климату СССР. Солнечное сияние и радиационный баланс. Ч. 1. JL: Гидрометеоиздат, 1965.

80. Simulink 4. Специальный справочник.- СПб: Питер, 2002.-528 с.:ил.

81. Гультяев А. К. MATLAB 5.3 Имитационное в среде Windows: Практическое пособие. СПб.: Корона принт, 2001.- 400с.

82. Berekly national laboratory, report no. LBL-35298, Berekly, California, Lawrence Berekly laboratory

83. Hudson G. and Underwood C.P., A simple building modelling procedure for MATLAB/SIMULINK, Proceedings of the 6th international conference on building performance simulation (IBPSA 99), Kyoto-Japan, Sep. 1999, pp. 777-783

84. Athienitis A.K., Sullivan H.F. and Hollands K.G.T. Analytical model, sensitivity analysis, and algoritm for temperature swings in direct gain rooms.// Solar energy, 1986, vol. 36, № 4, pp. 303-312

85. Э.Д. Сергиевский, Н.В. Хомченко, Е.В. Овчинников, Расчет локальных параметров течения и теплообмена в каналах, ИЗД. МЭИ, М., 2001.

86. Техническое описание и инструкция по эксплуатации -Термовизор ИРТИС-200, Научно-производственное предприятие «Термотех», М.: 2001

87. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: Пер. с нем. Г. А. Вольперта. М.: Наука, 1974.

88. Вейси Ф., Сергиевский Э.Д., Тюхов И.И. Расчет тепловых режимов двухстороннего приемника излучения в статическом солнечном концентраторе. 4-ая Международная научно-техническая конференция, 12-13 мая 2004 г., Москва, С. 114-120

89. Kays,W. М. : "Convective heat and mass transfer" , McGraw-Hill Book Company, New York, 1966

90. Zvirin Y., Aronov В., Heat transfer in solar collectors, Proc. 11th Int. Heat Transfer Conf., vol. l,Kyongiu, Korea, 1998, pp. 325-337

91. Holman J. P., Heat transfer 8ed., McGraw-Hill book company, New York, 1998

92. Segal A., Epstein M, Yogev A. Hybrid concentrated photovoltaic and thermal power conversion at different spectral bands Solar Energy, #76, 2004, 591-601.

93. Konold; Annemarie Hvistendahl Combined solar electric power and liquid transfer collector panel, Patent USA №6630622, 2003.

94. Стребков Д.С., Тюхов И.И., Тверьянович Э.В., Содномов Б.И. Солнечные энергетические установки с концентраторами для электро- и теплоснабжения/ Электрификация и механизация сельского хёозяйства. 2003. - № 8. - С. 14 - 17.

95. Strebkov D., Tveryanovich Ed., Irodionov A., Yartsev N., Tyukhov I. PV-thermal static concentrator system for the northern regions, ISES Congress, 2003, Geteborg, Sweden.

96. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975

97. Sergievcky Е., Veysi F., A simple thermal modeling of solar collector by using MATLAB/SIMULINK, International Conference for Energy

98. Environment, 14-15 October 2003, Brack-Libya

99. Попель O.C., Фрид С. E., Показатели солнечной водонагревательной установки в климатических условиях различных регионов России // Энергосбережение, 2002, № 4. С. 64-68.

100. СНиП 2.04.01-85 Внутренний водопровод и канализация зданий. М.: Стройиздат, 2000.

101. ASHRAE, Handbook of fundamentals, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Atlanta, 1989.

102. Такаев Б.В. Разработка воздушного солнечного коллектора с прозрачной тепловой изоляцией и оптимизация систем солнечного теплоснабжения. Дисс. канд. техн. наук.- М.: МЭИ, 2003.-155с.

103. СНиП 23-01-99, Строительные нормы и правила Российской федерации- Строительная климатология, М.: Стройиздат, 2000.

104. Информация ОАО «Проектный институт Республики Калмыкия», 358000, Респ.Калмыкия, г.Элиста, ул. Клыкова, 1.

105. Коркин В.Д., Системы водяного отопления с радиаторами // АВОК, 2002, № 4, сс. 56-62

106. Michaelides I.M., Wilson D.R. Optimisation of design criteria for solar space heating sytems through modelling and simulation, 5th International IBPSA Conference Building Simulation *97,September 8 -10,1997

107. Протокол заседания Правления РЭК Республика Калмыкия № 103/4 от 27 марта 2003г.

108. Информация ФГУ ТП «Калмотоппром», 358000, г. Элиста, восточная промзона

109. Теплотехнический справочник / Под ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. М.: Энергия, 1975.- 744с.: ил.

110. Бутузов В.А., Солнечные коллекторы в России и на Украине: конструкции и технические характеристики. Теплоэнергетика, 2003, № 1, С.37-40