A[i] = (^^[1]Гб[1 +1] + Г [1]Гб + £ 5m4iVw^]:

Гб[] = A[i]/B[] - (А[]/В[>] - Г„ач[J) ехр(- В[а f )•(6-35)

По этим выражениям составляют систему рекуррентных уравнений, легко программируемую на ЭВМ, для расчета многосекдаонного стратифицированного бака-аккумулятора.

Расчет грунтового аккумулятора в силу цикличности режима его работы выполняют отдельно для зарядки и разрядки.

Балансовое уравнение для инженерного расчета слоевого грунтового (гравийного, каменного) аккумулятора в режиме зарядки имеет следующий вид (для/-го слоя):

Mli]CdT^mr = A.^m(T,[i] - TJiD - Г (TJ.J - г^.(6.36)

гле М, С, V - соответственно масса, теплоемкой* и объем засыпки; - объемный

коэффициент теплопотери.

Температуру Ьоздуха, выходящего из аккумулятора, определяют по 1 уравнению

^^^т^-вых - Гвх) = у^(вых ^ а)-

(6.37)

Для нахождения объемного коэффициента теплоотдачи имеется эмпирическое соотношение, устанавливающее его зависимость от расхода воздуха с и эквивалентного сферического диаметра частиц d: я

ci^ = 650{G/d)°\(6.38) 1

V1/

Taed = (-) Z (v - суммарный объем частиц; n - число частиц).

л 3

Для режима разрядки уравнение теплового баланса имеет вид

смцш^тт = w(T^m - Tji Г птт^т - т^.(6.39)

Составляя систему из уравнений для всех слоев аккумулятора, можно сформировать математическую модель для его расчета.

Тепловую изоляцию баков-аккумуляторов можно рассчитать по формулам:

^из=Л^(Л-к„з)//с„з<^ ;(6.40)

к« = Оп/Иб(б-М.

где ^из ~ толщи™ изоляции, м; из ~ коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/ м«°С ; «з^ - коэффициент теплообмена; к^^ - коэффициент теплопередачи через изоляцию Bi/(m2.°C); Qj, - допустимые потери тепла, Вт; Ag - площадь бака-аккумулятора, м^; Tg - расчетная температура воды в баке, °С.

6.4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИЮВАШШ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛО-И ХЛАДОСНАКШШЯ

Общие сведения. В настоящее время разработано множество методов расчета систем солнечного теплоснабжения, которые условно можно классифицировать по следующим факторам:

уровню математического описания - использующие полную или упрощенную математическую модель системы и ее элементов, характеристики в средней точке, уравнение регрессии;

режиму работы, для которого выполняют расчет - номинальный, эксплуатационный;

использованию вычислительных средств для расчетов - с использованием электронно-вычислительных машин и без них (ручной).

Каждый метод расчета имеет свои достоинства, ограничения и целесообразную область применения. В зависимости от типа используемой системы, применяемого оборудования и т.д. определяется и метод ее расчета.

Наиболее простым является метод расчета по средней точке, когда линейную или даже нелинейную характеристику системы или элемента заменяют одним значением - чаще всего такой расчет ведется по КПД. Этот метод, естественно, имеет наибольшие погрешности, однако он прост, позволяет оперативно сравнивать различные варианты и при хорошем знании используемых величин может быть рекомендован для предварительных расчетов на стадии технико-экономического сравнения вариантов.

Расчет на математических моделях целесообразно проводить в первую очередь для нахождения с помощью ЭВМ показателей системы в эксплуатационном режиме и для расчетов вновь разрабатываемых экспериментальных гелиосистем. При переходе к типовому проектированию подробные математические модели могут заменяться составленными на их основе номограммами или уравнениями регрессии, которые позволяют легко проводить технико-экономическую оптимизацию проектных решений. Однако они, как правило, описывают конкретное схемное решение, привязаны к определенным климатическим условиям, типу оборудования и т.д., что требует определенного навыка при распространении полученных результатов на смежные области.

Наиболее распространенным за рубежом методом расчета систем теплоснабжения является /-метод [2]. Основные положения метода заключаются в использовании результатов подробных вычислений долгосрочных характеристик системы на математических моделях для составления уравнений регрессии, описывающих их зависимость от величин двух безразмерных комплексов, имеющих определенный физический смысл:

У - отнощение поглощенной за месяц солнечной радиации к тепловой нагрузке за тот же период;

X - отнощение месячных тепловых потерь коллектора при некоторой базисной температуре к полной месячной тепловой нагрузке.

Следует отметить, что /-метод не очень удобен для оптимизационных расчетов, требует большого объема вычислений, однако из всех существующих в настоящее время методов расчета систем теплоснабжения он наиболее универсален. Приведенные ниже методы расчета, разрабатываемые отечественными исследователями, предназначены для нахождения оптимальных параметров систем, обеспечивающих максимальное значение целевой функции. Это может быть экономия приведенных затрат на данный вариант теплоснабжения, .обеспечение требуемого коэффициента покрытия нагрузки при данных условиях и т.д.

Расчет и проектирование установок солнечного горячего водоснабжения. Установки солнечного горячего водоснабжения (УСГВ) выполняют с жидкостными или комбинированными солнечными коллекторами, одно-, двух- или многоконтурные, с естественной (термосифонной) или принудительной циркуляцией; бак-аккумулятор может быть совмещен или не совмещен с теплообменником.

Наиболее просты в устройстве проточные одноконтурные системы (рис. 6.6, а), расчет которых выполняют, как и расчет солнечных водонагревателей по формулам главы 6.2. Однако при использовании в них серийных коллекторов, выпускаемых отечественной промышленное-, тью, их главный недостаток - подверженность коррозии - сводит на нет возможные преимущества.

Для повышения коррозионной устойчивости и обеспечивания возможности работы с антифризом в качестве теплоносителя в зимнее время, системы чаще всего выполняют двух- или многоконтурными (рис. 6.6, б).

Недостатком термосифонных систем является их низкая тепловая эффективность, из-за малых скоростей движения теплоносителя. Для ее повышения в крупных системах, как правило, используют принудительную циркуляцию, что, в свою очередь, наиболее эффективно при максимально низкой температуре теплоносителя, подаваемого в

Рис 6.6. Принципиальные схемы установок солнечного горячего водоснабжения

а - одноконтурные проточные; б - двухконтурные с естественной циркуляцией; в -двухконтурные с принудительной вентиляцией; г - двухконтурные с теплообменником в баке-аккумуляторе; 3 - с промежуточным контуром; е - с секционным баком-аккумулятором; ж — с секционным баком-аккумулятором и скоростным теплообменником

коллекторы. Эта температура в значительной мере зависит от схемы присоединения бака-аккумулятора. Наиболее простой является схема, которая предусматривает наполнение бака-аккумулятора водой. Нагретой в скоростном теплообменнике (рис. 6.6, в). Эта схема обеспечивает охлаждение теплоносителя циркуляционного контура в пределе, ограниченном температурой водопроводной воды. Однако система работает только определенное время, так как по мере роста температу-

ры воды в баке повышается уровень радиации, которая может быть полезно использована. Поэтому при работе системы с постоянным расходом теплоносителя в послеполуденные часы температура воды в баке обязательно понижается, а при работе с нагревом воды до заданной температуры рабочими являются только околополуденные часы. Установка теплообменника в баке-аккумуляторе (рис. 6.6, г) снижает теплопотери оборудования, однако при этом из-за низких значений коэффициентов теплообмена возрастает площадь поверхности теплообменника. Эта схема тоже ограничена во время работы и, кроме того, с повышением температуры в аккумуляторе возрастает температура теплоносителя, подаваемого в гелиоприемники.

-Стремление интенсифицировать теплообмен привело к появлению схем с промежуточным контуром (рис. 6.6, д).

Увеличить эффективность схемы можно за счет использования явления стратификации воды в аккумуляторе. Суммарную емкость бака-аккумулятора разбивают на секции (рис. 6.6, е) и благодаря различию температур в секциях, теплоноситель в коллекторы подается с более низкой температурой, чем в схемах гид, при той же средней температуре аккумулированной воды. Увеличивается время полезной работы, так как в послеполуденные часы коллекторы могут работать только на секцию с более низкой температурой, что существенно увеличивает тепловую отдачу системы. Однако в связи с объемом последней секции система не может работать весь световой день. Установка скоростного теплообменника после последней секции аккумулятора (по ходу теплоносителя циркуляционного контура) позволяет системе работать в течение всего времени инсоляции (рис. 6.6, ж, з).

Для сравнительного анализа, выбора рационального числа секций аккумуляторов и площади теплообменников, расходов в контуре промежуточной циркуляции и других параметров необходимо провести исследования систем.

Натурные исследования описанных систем требуют значительных затрат на их сооружение и многолетних испытаний. Рациональнее провести сравнительные исследования на математических моделях, используя для расчетов ЭВМ. В КиевЗНИИЭПе разработаны программы для двухконтурных систем, работающих с заданными расходами теплоносителя и нагреваемой среды, а также с отбором воды постоянной температуры. Тепловые процессы, проходящие в элементах систе мы, описываются уравнениями, приведенными в главе 6.2.

Разработанная математическая модель описывает достаточно широкий класс систем и позволяет варьировать параметры (поверхность коллекторов, вместимость и число баков-аккумуляторов, расход теплоносителя, климатические параметры и т.п.). Модель откорректи-

а) Y

0.15

О 15 за /5 60 Wj.em/C

61

f

0,Б

0.55 Ofi

I

0.35

1 2 3 5 6 N.wm

Рис 6.7. Эимкицюяь производиюыоеш геявосяоемы «ж ркхода теппоаосяюга (в) и чжпа сжций бапмвску»оглтзра (б) при ршвчной удельвой шкхццда А коюнкторав

рована по результатам натурных исследований на объектах для установления ее адекватности экспериментальным данным; исследования выполнены в эксплуатационном режиме для различных схемных решений и климатических условий. Климатическая информация исходила из условий так называемого "типичного года", данные по нагрузке горячего водоснабжения - удельные нормативные, построенные по суточному графику водопотребления жилого дома на одного человека - 120 л/су т.

Исследования работы системы с секционным баком-аккумулятором показали, что расход теплоносителя гелиоконтура влияет на его эффективность и процессы теплопередачи в теплообменниках (рис. 6.7, о). Коэффициенты теплопередачи в емких теплообменниках снижаются при малых расходах и практически не меняются при изменении расхода в оптимальных пределах.

Результаты расчетов производительности гелиосистемы при постоянном объеме бака-аккумулятора (0,15 м^/чел.), различной площади коллекторов (1 ... 4 м^/чел.), в зависимости от числа секций, на Которые разбивают суммарный объем бака, приведены на рис. 6.6, б. Из графиков следует, что по мере роста площади поглощающей поверхности и соответствующего возрастания производительности системы эффективность устройства температурной стратификации по секциям бака-аккумулятора возрастает. При этом для каждой площади сущест-