автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Тепловые и гидравлические характеристики систем солнечного горячего водоснабжения в условиях умеренного климата

Введение

Глава I. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ РАБОТ ПО СОЛНЕЧНОМУ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЮ В СССР И ЗА РУБЕЖОМ

§ 1-1. Состояние работ за рубежом

§ 1-2. Состояние работ в СССР.

§ 1-3. Постановка задачи.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА

§ 2-1. Теплопроизводительность солнечного коллектора

§ 2-2. Расчет тепловых потерь и коэффициента эффективности плоского солнечного коллектора

§ 2-3. Методика испытаний солнечных коллекторов в лабораторных условиях

§ 2-4. Солнечные коллекторы повышенной эффективности

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ СОЛНЕЧНОЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОШИ В СРЕДНЕЙ ПОЛОСЕ СССР

§ 3-1. Описание солнечной водонагревательной установ

§ 3-2. Режим испытаний, измвряемые величины и измерите тельная аппаратура

§ 3-3. Методика обработки опытных данных.

§ 3-4. Результаты испытаний и их анализ

Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СОЛНЕЧНОЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

§ 4-1. Расчет солнечных водонагревательных установок для сезонных потребителей тепловой энергии

§ 4-2. Исследование влияния неравномерности расходов теплоносителя по коллекторам секции на выработку тепла. .III

Глава 5. ЭКОНОМИКА СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

СЕЗОННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В СРЕДНЕЙ ПОЛОСЕ СССР

§ 5-1. Определение коэффициента замещения .12?

§ 5-2. Расчет годового экономического эффекта от использования солнечной установки

§ 5-3. Результаты расчетов

ВЫВОДЫ

Во многих странах мира, в том числе и в СССР, ведутся научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы по использованию солнечной энергии. Эти работы направлены на решение комплексной проблемы по экономии топливно-энергетических ресурсов в стране.

О значении этой проблемы можно судить по материалам Пленумов ЦК КПСС и съездов КПСС. Так, на ноябрьском (1979 г.) Пленуме ЦК КПСС указывалось': ". Какими бы темпами мы ни развивали энергетику, сбережение тепла и энергии и впредь будет важнейшей государственной задачей. На экономию тепла и энергии должны быть нацелены усилия каждого коллектива, каждого труженика"£ I ].

В принятых ХХУ1 съездом КПСС основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года указывается, что выполнение главной задачи одиннадцатой пятилетки по обеспечению дальнейшего роста благосостояния советских людей, наряду с ускорением научно-технического прогресса, интенсификацией экономики и другими условиями, зависит от "всемерной экономии всех видов ресурсов". Там же указывается на необходимость увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии (гидравлической, солнечной, ветровой, геотермальной) [ 2 ].

В настоящее время более 80% энергии дают уголь, нефть и природный газ, запасы которых велики, но не беспредельны. Непрерывное и из года в год возрастающее потребление ископаемых видов топлива приводит к истощению наших богатств. Современный уровень их расходования очень велик. Учитывая то, что уголь и нефть это не только топливо, но и важное сырье для химической и других отраслей промышленности, использование их в качестве топлива нерационально. Перспектива истощения запасов ископаемого топлива ставит на повестку дня развитие и все большее применение нетрадиционных источников энергии, среди которых важную роль играет солнечная энергия.

Работы по использованию солнечной энергии ведутся в различных странах мира применительно к коммунальному хозяйству, энергетике, промышленности и сельскому хозяйству. В различных отраслях народного хозяйства, в том числе коммунально-бытовой сфере находят применение простейшие низкопотенциальные солнечные установки для горячего водоснабжения, отопления и охлаждения зданий, опреснения воды и т.д.

За счет использования солнечной энергии нельзя полностью обеспечить энергетические потребности того или иного объекта, однако можно сэкономить значительную часть традиционных энергетических ресурсов. Поэтому солнечная энергия рассматривается в настоящее время как дополнительный источник энергии.

В наши дни большое внимание уделяется развитию сельского хозяйства Нечерноземья и развитию широкой сети оздоровительных уч^ реждений в Средней полосе СССР. Это связано с созданием многочисленных сезонных объектов: полевых станов, летних пунктов содержания скота, теплиц, рыбных прудов, пионерских и туристических лагерей и т.д. Все указанные виды сезонных объектов имеют большие потребности в обеспечении горячей водой, которые в значительной мере могли бы быть удовлетворены за счет использования солнечной энергии.

Довольно актуальными становятся также вопросы трудовых ресурсов. Для работы на мелких котельных требуется достаточно большой персонал, в то время как солнечные установки могут быть практически полностью автоматизированы.

Как видим, задача массового внедрения солнечных водонагревательных установок в средней полосе Европейской части СССР базируется на реальной основе и достаточно актуальна.

ВЫВОДЫ

1. Анализ состояния работ по солнечному теплоснабжению в странах, расположенных выше 50 параллели, показал, что в конце семидесятых годов заметно возрос интерес к использованию солнечной энергии для замещения части ископаемого топлива.

2. Впервые полученные экспериментальные данные о работе крупномасштабной солнечной водонагревательной установки в средней полосе Европейской части СССР дают основания утверждать, что простые одноконтурные установки без дублера можно с успехом использовать в этих районах для горячего водоснабжения сезонных потребителей тепла.

3. Определение причин снижения эффективности работы солнечной установки выявило существенное влияние на выработку тепла тепловых потерь от соединительных трубопроводов.

Исследование неравномерности распределения расходов воды в системе солнечных коллекторов и ее влияния на теплопроиз-водительность солнечной установки показало, что для масштаба неравномерности, характерного для данной установки, это влияние несущественно и им можно пренебречь.

5. Анализ результатов натурных испытаний установки и сравнение экспериментальных значений выработки тепла с расчетными доказали возможность использования стационарных зависимостей не только для расчета мгновенных значений теплопроизводительно-сти, но и для определения дневной выработки тепла по среднеин-тегральным значениям входящих в них параметров.

6. Разработанная и апробированная методика испытаний солнечных коллекторов в лабораторных условиях может быть использована в заводских условиях для составления технического паспорта коллекторов различного типа.

7. Исследование влияния режимных параметров на выработку тепла путем математического моделирования показало существенность такого параметра как расход воды в циркуляционном контуре, в частности, наличие оптимальных расходов,и установило, что включение в схему дополнительного бака-аккумулятора обеспечивает повышение к.п.д. установки примерно в 1,5 раза.

8. Результаты расчетов сравнительной эффективности применения в условиях Подмосковья топливной котельной, солнечной установки с электродублером и автономной солнечной установки продемонстрировали предпочтение солнечной установки с элекгро-дублером перед котельной на малых тепловых нагрузках (объект на 200 и менее человек). Показано также, что себестоимость тепла, вырабатываемого автономной солнечной установкой, становится меньше себестоимости производства тепла комбинированной солнечно-электрической системой, когда затраты на солнечную устар новку снижаются примерно до величины 50 руб./м .

9. Результаты расчетов эффекта от заполнения аргоном внутреннего пространства коллектора между поглощающей панелью и остеклением продемонстрировали, что к.п.д. коллектора повышается на 2 * Ь%, вследствие чего можно уменьшить необходимую площадь о коллектора на 4 л 10%. При стоимости коллектора 50 руб./м^ это дает экономию 2 •* 5 рублей на одном квадратном метре тепловос-принимающей поверхности солнечного коллектора.

- 144

1. Материалы ноябрьского 1979 г. Пленума ЦК КПСС. - Коммунист, 1979, № 12, с. 3-36.

2. Постановление ХХУ1 съезда КПСС по проекту ЦК КПСС "Основные направления развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 года и на период до 1990 года". 2 марта 1981 г. В кн.: Материалы ХХУ1 съезда КПСС. - М.: Политиздат, 1981, с. 145.

3. Braun G.W., Edelstein R.B. Review of the U.S. department of energy's solar thermal program. Rev. phys. appl., 15, N 7, pp. 1219-1228.

4. Federal solar strategies: DOE's multiyear plans. ASHRAE Journal, 1979, 21, IT 11, p.36-43.

5. Басин Г.Л. Системы теплоснабжения жилых зданий с солнечными коллекторами. Водоснабжение и санитарная техника, 1980,1. J& 6, с. 27-29.б» King Т.A., Oarlock J.В. Construction costs in comercial solar. Energy Eng., 1979-1980, 77, IT 1, p.11-31.

6. Маяевский Ю.Н., Тарнижевский Б.В., Фугенфиров М.И. Солнечная энергетика за рубежом: прогнозы, состояние разработок, технико-экономические возможности. Гелиотехника, 1979, JB 4,с. 72-75.

7. Фугенфиров М.И. Солнечная энергетика за рубежом. Теплоэнергетика, 1980, № 3, с. 72-74.

8. Heldman J.D. Solar energy today. Bcolibrium, 1979, 8, IT 1, p.10-12.

9. Prank A. Collector production is climbing slowly. Solar Age, 1979, 4 IT 5, p.11-13.

10. Trice I., Cohen A. Process hot water for textile. Sun World, 1979, v. 3, IT 2, p.50-53.- 145

11. Brown K.C. How to determine cost-effectiveness of solar energy projects? Power, 1981, 125, N 3, p.72-75.

12. Bartlett J.C. Evaluation of Solar Energy Control Systems. -Solar Heating and Cooling Systems Operational Results Conference, Colorado Springs, C.O., 1978.

13. McCumber W.A., Weston M.W. The Analisis and Comparison of ^ctual to predicted Collector Arroy Performances. IBM J. Res. Develop., 1979, v. 23, N 3, p.253-259.

14. Aguila V.S. Paper on System E. U.S.Dept. of Energy. Solar Update Conference. IT 780701, 1978.

15. Monthly performance reports for System E, July to August 1978. Report Res. S0LAR/2028-78/06 through -/08. U.S. Dept. of Energy, Technical Information Center, Oak Ridge, TIT.

16. Wolf D., Tamir A., Kudish A.I. A central solar domestic hot water system. Performance and economic analisis. Energy, 1980, v. 5, IT 2, p.191-205.

17. Paidman D., Gordon J.M., Govaer D. Optimization of a solar water heating system for a Hegev Kibbutz. Israel Journal of Technology, 1979, v. 17, p.19-28.

18. Boilean I. Les equipments solaires actifs dans le batiment. Froid et dim., 1980, IT 314, p.59-63.

19. Berthet J.M. Camping des Gayeulles a Rennes. Chareffage solaire de l'ean chande sanitaire. Ing. orlles France,1980, 28, 11 264, p.15-16.

20. Klein H. Entwicklugstendengen der Solartechnick. ETA Elektrowärme Techn. Ausbau, 1980, 38, N 3, p.143-151.

21. Hlawiczka H. Entwicklungstendenzen zur Sonnenenergie in der Bundesrepublik Deutschland. Kalte und Kliraatechn., 1980, 33, N 4, p.160, 162.

22. Сабади П.Р. Солнечный дом. Пер. с англ, М.: Стройиздат,1981. -ИЗ с.

23. Dreisbach К. Einsatz von Sonnenkollektoranlagen zur Becken-wassererwamung in öffentlichen Freibädern. Kommunalwist-scharft, 1979, N 10, p.321-325.

24. Palkenberg V.D., Rittmayer G. Eine solare Brauchwassererwärmungsanlage ETA Elektrowärme Techn. Susbau, 1980, 38, H 3, p.164-171.

25. Hörster H. Rationele energiebesparing en het gebruik van zonne-enegie in gebouwen. Milcroniek, 1980, 20, Ж 1, p.8-12.

26. Vanoli R. Utilization de l'energie solaire dans l'habitat collectif. La maison solaire de Fribourg en Brisgau. Rev. int. heliotechn., 1980, IT 1, p.47-49.

27. Solar power: Getting ready for the push. Mordern power and engineering, 1978, 72, IT 11, p.56-59.

28. Besant R.W., Dumont R.S., Schoenau G. Saskatchewan howse: 100 percent solar in a severe climate. Solar Age, 1979, 4, IT 5, p.18-23.

29. Solar-heated residence opening. Oilweek, 1978. v. 29, N 33, p.41.

30. Rejler J. Slvärmeverket i Ingelstad kör igang enligh tid-planen. WS, 1979, 50, IT 6, p.45-47.- 147

31. Central soler Heating station in Sweden. The Hew Zealand Energy Journal, 1978, 51, II 5, p. 57.

32. Вейнберг Б.П. Желтый уголь. M.: АН СССР, 1929. -68 с.

33. Петухов Б.В. Солнечные водонагреватели трубчатого типа. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1949. -72 с.

34. Щеголев Д.М. Использование солнечной энергии для целей отопления помещений. Дис. канд. техн. наук. - М., 1953.-167 с.

35. Сарнацкий Э. Солнечную энергию в селв.ское строительство. -Сельское строительство, 1983, № I, с. 1-3.

36. Харченко Н.В., Никифоров В.А. Методика теплотехнических испытаний низкотемпературных коллекторов солнечной энергии. -Киев, 1980, -8 е., Рукопись депонирована в УкрНИИНТИ,2012.

37. Малевский D.H., Тарнижевский Б.В. Развитие работ по использованию солнечной энергии в СССР. В кн.: Солнечные установки малой мощности: преобразователи, коллекторы, селективные покрытия. - М.: ЭНИН им. Г.М.Кржижановского, 1980, с.3-6.

38. Умаров Г.Я., Авезов P.P., Корягин Н.И. и др. Разработка и испытание солнечных водонагревательных котлов, изготовленных методом диффузионной сварки. Гелиотехника, 1977, № 2, с. 68-70.

39. Умаров Г.Я., Авезов P.P. и др. Использование солнечной энергии для тепло- и хладоснабжения помещений. В кн.: Тезисы докладов на всесоюзной конференции "Использование солнечной энергии". - Ашхабад: АН Туркм.ССР, 1977, с.20-21.

40. Шпильрайн Э.Э., Попель О.С. Проблемы солнечного теплоснабжения. В кн.: Возможность использования новых источников энергии. I Советско-японский энергетический симпозиум. - Иркутск: СШбирский энерг. инст. СО АН СССР, 1980, с.244-255.

41. Вайнштейн С., ПопельО., Гадкиев А. Солнечный дом. Наука и жизнь, 1982, te 10, с.33.

42. Malevsky J.ГГ., Smirnov S.I., Tarnizhevsky В.7. Development of a solar heating system with an auxiliary heater for an urban building. Proceeding of the first International Conference on Solar Building Technology. - London, 1977, v. 1, p.162-168.

43. КонстантиновскиЁ Ю.А., Корягин Н.И., Малевский Ю.Н., Смирнов С.И. Опыт создания комбинированной солнечно-топливной котельной в коммунальном хозяйстве. Жилищное и коммунальное хозяйство, 1980, te 9, с.22-24.

44. Константиновский Ю.А. Теплоэнергетические и гидродинамические характеристики солнечно-топливной установки тепловой мощностью до 100 кВш-в условиях Крыма.: Автореф. Дисс. канд. техн. наук. Ашхабад, 1981. - 32 с.

45. Корягин Н.И., Сигалов Ю.М. и др. Производство и применение прокатно-сварных алюминиевых панелей из алюминиевых сплавов для солнечных водонагревателей систем горячего водоснабженияи охлаждения. Гелиотехника, 1978, №6, с.26-31.

46. Аксенов Л.Ф., Вирон И.Я. и др. Солнечное отопление в жилых домах Узбекистана. Гелиотехника, 1977, № 2, с.71-74.

47. Рабинович М.Д. Опытные эксплуатационные и экспериментальные исследования гелиосистемы горячего водоснабжения жилого дома. Научно-технический реферативный сборник Минсельстроя СССР. - М., 1979, № 9, с.7-9.

48. Рабинович М.Д., Ферт А.Р. Гелиосистема горячего водоснабжения жилого дома. Гелиотехника, 1979, N2 5, с.69-73.

49. Рабинович М.Д. Разработка и исследование систем горячего водоснабжения гражданских зданий. Дис. канд. техн. наук. - Киев, 1980. -149 с.

50. Рабинович М.Д., Ферт А.Р. и др. Системы солнечного теплоснабжения сельских домов. Сельское строительство, 1983, te I, с.2-4.

51. Рабинович М. и др. Опыт монтажа гелиосистем на сельских объектах. Сельское строительство, 1983, № I, с.8-10.

52. Смирнов С.И., Сигалов Ю.М. и др. Результаты испытаний солнечной водонагревательной установки в условиях средней полосы СССР. Гелиотехника, 1980, № 5, с.70-77.

53. Klein S.A. Calculation of flat-plate collectors loss coefficients. Solar Energy, 1975, v. 17, p.79-80.

54. Даффи Д.А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. Пер. с англ. М.: Мир, 1977, -420 с.

55. Charters W., Window В. Solar collector design and testing. -Search, 1978, 9, li 4, p. 123-129.

56. Hill J.E., Streed E.R. A method of testing for rating solar collectors based on thermal performance. Solar Energy, 1976, v. 18, p.421-429.- 150

57. Justing В. Agreement on test procedures is the first step. -Sunworld, 1978, 2, N 3, p.66-71.'"

58. Heyward К. Constructing on outdoor solar collector testfacility. Chartered Meoh. Eng., 1979, 26, N 11, p.61-64.

59. Wang Shing-an. An experimental study of corrugated steel sheet solar water heater. Solar Energy, 1979, v. 23, N 4, p.333-341.

60. Smith C.C., Weiss T.A. Design application of the Hottel-Whillier Bliss equation. Solar Energy, 1977, v. 19, p.109-113.

61. Kalt A. Baustein Sonnenbollector. RWK aktuell IT. 17, C.F. Müller Verlag Karlsruhe, 1976.

62. Simon P.P. Plat-plate solar collector performance evaluation with a solar Simulator as a basis for collector selection and performance prediction. Solar Energy, 1976, v. 18, IT 5, p.45-66.

63. Richtlinien und Hinweise für die Bestimmung der Gebrauchstauglichkeit von Solarkollektoren. A. Wirkungsgradtest an Solarkollektoren. - Essen: ASE, 1976.

64. Dittes W., Goettling D. Prüfung der thermischen leistung von Solarkollektoren-Vorschläge zur Normung. Ki-Klima + Kalte Ingenieur, 1978, N 4, p.137-142.

65. Малевский Ю.Н. и др. Методика определения тепловых характеристик солнечных коллекторов в лабораторных условиях. Гелиотехника, 1980, й с.50-54.

66. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978. -704 с.

67. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Л.:- 151 -Наука, 1967. -89 с.

68. Эстеркин Р.И., Иссерлин А.С., Певзнер М.И. Теплотехнические измерения при сжигании газового и жидкого топлива. Л.: Недра, 1981. -424 с.

69. Eaton С.В., Blum Н.А. The use of moderate vacuum environments as a means of increasing the collection effieciencies and operating temperatures of flat-plate solar collectors. -Solar Energy, 1975, v. 17, IT 3, p.151-158.

70. Сивков С.И. Методы расчета характеристик солнечной радиации. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. -232 с.

71. Гребер Г., Эрк С., Гргуль У. Основы учения о теплообмене. Пер. с нем. М.: Изд. иностр. литературы, 1958. -566 с.

72. Jakob М. Free heat convection through enclosed plane gas layers. Trans. A.S.M.E., 1946, N 68, p.180.

73. Бекман У., Клейн С., Даффи Д. Расчет систем солнечного теплоснабжения. Пер. с англ. М.: Энергоиздат, 1982. -80 с.

74. Nakahara If., Miyakawa I., Iamamoto M. Experimental study of hause cooling and heating with solar energy using flat plate collector. Solar Energy. 1977, v. 19, p.657-662.

75. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукоыел А.С. Теплопередача. -Изд. четвертое, перераб. и доп. -М.: Энергоиздат, 1981. -417 с.

76. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.2Л.: Госэнергоиздат, 1956. -392 с.

77. Смирнов С.И,, Торшин А.С. Разработка комбинированной системы солнечного теплоснабжения с тепловым насосом в условиях Крыма. Гелиотехника, 1980, fe I, с.75-80.

78. Козлов В.Б., Эйсмонт О.А. Моделирование и оптимизация системтеплоснабжения, использующих солнечную энергию. Гелиотехника, 1981, № 6, с. 42-47.

79. Ong K.S. A finite-difference method to evaluate the thermal performance of a solar water heater. Solar Energy, 1974, v. 16, p. 137-147.

80. Ong K.S. An improved computer program for the thermal performance of a solar water heater. Solar Energy, 1976,v. 18, p. 183-191.

81. Рабинович М.Д., Ферт A.P. Исследование гелиосистемы горячего водоснабжения на математических моделях. Гелиотехника, 1980, № 2, с. 39-45.

82. Courtney R.G. A computer study of solar water heating. -Building and Environment, 1977, v. 12, p. 73-80.

83. Свен Удел. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии. Пер. со шведск. М.: Знание, 1980, - 88 с.

84. Справочник по климату СССР. Вып. 3, 10 и 12. Ч. I, 2. Л.: Гидрометеоиздат, 1966.

85. Определение эффективности новой техники. Экономическая газета, 1977, № 10, с. 1-8.

86. Легейдо С.М. Экономическая эффективность использования солнечной энергии для систем теплоснабжения гражданских зданий. -Сб. научн. тр. ЦНИИЭП инж. обор. Вып. 2. М., 1979,с. II7-I27.

87. Абашкин С.Н., Андреев В.П., Багров Б.О. и др. Справочник теплоэнергетика предприятий цветной металлургии. М.: Металлургия, 1982, - 456 с.

88. Роддатис К.Ф. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергия, 1968. - 263 с.