Тема VIII. Pасчет степени замещения тепловой нагрузки объекта по f-методу

Вы будете изучать: f- метод расчета систем солнечного теплоснабжения

Цель и задачи занятия: Изучить методику определения нагрузок отопления и горячего водоснабжения объектов; определение параметров необходимых для расчетов коэффициентов f- метода.

После изучения этой темы Вы сможете: Рассчитывать характеристики систем солнечного теплоснабжения

Основная литература

1.Расчет систем солнечного теплоснабжения:перевод с англ. – У. Бекман, С. Клейн, Дж. Даффи – М. Энергоиздат, 1982 –80 с.

2. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. – М.: Энергоатомиздат,1991. – 208 с.

Ключевые слова: f-метод, степень замещения тепловой нагрузки

Наиболее приемлемым и простым методом для расчета систем солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения является f-метод. Пользуясь f-методом и ориентируясь на средние месячные значения метеорологических параметров, можно определить долгосрочные тепловые характеристики систем солнечного теплоснабжения в зависимости от основных конструктивных параметров этих систем. С учетом стоимостных показателей f-метод можно применять также и для оптимизации параметров данных систем.

Рассмотрим основные положения f-метода расчета систем солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения.

Энергетический баланс системы солнечного теплоснабжения (СТС) за месячный период времени можно представить в виде

Q - L + E = U, (26)

где Q - месячная теплопроизводительность солнечной установки; L- сумма месячных нагрузок отопления и горячего водоснабжения; E- общее количество энергии, полученной в течение месяца от дублирующего источника энергии; U- изменение количества энергии в аккумулирующей установке.

При размерах аккумуляторов, обычно применяемых в СТС, разность U мала по сравнению с Q , L и E и может быть принята равной нулю. Тогда уравнение (3.1) ) можно записать в виде

f = (L - E)/L = Q /L, (27)

где f - доля полной месячной тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии.

Коэффициент замещения f эмпирически можно связать с двумя безразмерными комплексами

X = F_R U_L (F'_R /F_R )(T_r -T_o) t (A/L); (28)

Y = F_R ()_n (F' _R /F_R )[()/()_n ] H_T N (A/L), (29)

где A - площадь солнечного коллектора, м2; F_R' - эффективный коэффициент отвода тепла, учитывающий влияние теплообменника; U_L - полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м2 0С); T_r - базисная температура, принятая равной 100 0С; T₀- среднемесячная температура наружного воздуха, 0С; t - число секунд в месяце; L - полная месячная тепловая нагрузка, Дж; () - среднемесячная приведенная поглотительная способность; H_T - среднемесячный дневной приход суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность коллектора, Дж/м2; N - число дней в месяце; ()_n – приведенная поглощательная способность прямой солнечной радиации, падающей по нормали к поверхности коллектора;  - пропускательная способность прозрачных покрытий по отношению к солнечному излучению;  - поглощательная способность пластины коллектора по отношению к солнечному излучению; F_R - коэффициент отвода тепла из коллектора; F'_R /F_R – поправочный коэффициент, учитывающий влияние теплообменника

Безразмерные комплексы X и Y имеют определенный физический смысл: Y можно трактовать как отношение количества энергии, поглощаемой пластиной коллектора в течение месяца, к полной месячной тепловой нагрузке; X - отношение месячных тепловых потерь коллектора при базисной температуре к полной месячной тепловой нагрузке.

На рис.2.18 представлена зависимость между коэффициентом замещения f и безразмерными комплексами X и Y для двухконтурной жидкостной системы. Данная корреляция была получена с помощью математической модели в результате многих сотен расчетов для различных географических пунктов в широком диапазоне изменения основных параметров системы. Эти графики называются f-графиками системы солнечного отопления с жидкостным теплоносителем.

Рисунок 2.18. - Графики для системы с жидкостным теплоносителем

Чтобы определить долю f полной месячной тепловой нагрузки, обеспе-чиваемой за счет солнечной энергии, необходимо рассчитать комплексы X и Y для рассматриваемого коллектора и данной месячной тепловой нагрузки. Значение f определяется по графику в точке с координата X и Y. Например: при X=4 и Y=1 получается, что f=0, 57. Эта операция повторяется для каждого месяца года. Месячное количество тепловой энергии от СТС находится умножением f на полную месячную тепловую нагрузку L. Доля F годовой тепловой нагрузки, покрываемой за счет солнечной энергии, равна сумме месячных количеств солнечного тепла, деленной на полную годовую нагрузку.

Зависимость между X, Y и f, представленную на рис.2.18, можно аппроксимировать следующим уравнением

f = 1, 029Y - 0, 065X - 0, 245Y² + 0, 0018X² + 0, 0215Y³ (30)

где 0<Y<3 и 0<X<18.

Расчет коэффициента f в зависимости от X и Y проводился при фиксированных значениях трех параметров: расхода жидкости через коллектор; вместимости аккумулятора; размера водо-воздушного теплообменника относительно нагрузки отопления.

Результаты математического моделирования и корреляция получены при условии, что расход жидкости через коллектор эквивалентен расходу антифриза 0, 015 л/(м2 с). Но поскольку изменение расхода обычно мало влияет на характеристики системы, то корреляция для систем с жидкостным теплоносителем, представленная здесь, применима и при других встречающихся на практике расходах жидкости.

Уравнение (30) или графики на рис.2.18 получены при условии, что вместимость аккумулятора составляет 75 л/м2. При других количествах воды в аккумуляторе необходимо вводить поправку.

Также необходимо вводить поправки, учитывающие влияние теплообменника.

Контрольное задание 8. Рассчитать степень замещения тепловой нагрузки объекта тепловой энергией, получаемой от гелиосистемы, пользуясь f-мето-дом согласно заданному варианту и указанным месяцам.

Исходные данные.

1. Площадь коллекторного поля последовательно задается равной А = 5: 10 и 15 м².

2. Тип коллектора солнечной энергии КСЭ и его характеристики выбирается согласно табл.2.19. Необходимо выбрать не менее 2-х КСЭ.

3. Коэффициент F_R принять равным 0.7.

4. Отношение (F'_R /F_R ) принять равным 0.97 (при наличии теплообменников в системе СТС). В случае их отсутствия - (F'_R /F_R ) = 1.

5. T_r = 100 ⁰С

6. T_a – выбирается по метеорологическим справочникам или по табл. 2.23.

7. Полная тепловая нагрузка L определяется в соответствии с заданием и табл.2.20 .

8. ()/()_n для всех месяцев отопительного сезона принимается равным:0,96 для КСЭ с одинарным остеклением;0,94 для КСЭ с двойным остеклением.

9. Угол наклона КСЭ к горизонту s рекомендуется принимать равным: s =  + 15⁰ - для систем отопления; s =  - для систем круглогодичного действия; s =  – 15⁰ - для систем летнего горячего водоснабжения. .

Таблица 2.19