Целесообразность использования систем солнечного теплоснабжения в городе Благовещенск

Комплектация ССТ.

Коллектор. Именно в поглощающей панели гелиоколлектора под воздействием солнечного излучения (инфракрасной составляющей) происходит преобразование солнечной энергии в тепловую, в результате, панель разогревается, а прокачиваемый через ее каналы жидкий теплоноситель отбирает полученное тепло.

Солнечные коллекторы желательно ориентировать в южном направлении, (допустимо отклонение без существенного снижения эффективности до 60°), но возможен вариант монтажа одной группы коллекторов на Запад, а другой на Восток. Угол наклона коллектора 25-35° позволяет достичь максимальной эффективности в летний период; 40-60° - целесообразен для солнечных коллекторов, которые эксплуатируются круглогодично (снижается эффективность в летний период, а увеличивается в остальной период года); под углом 90° коллекторы устанавливаются в системах рассчитанных на зимний период работы, в частности для систем отопления с целью снижения эффективности работы солнечных коллекторов в летний период.

Коллекторы бывают плоские и вакуумные. Коэффициент полезного действия вакуумных коллекторов при высоких температурах теплоносителя выше, чем у плоских, но они гораздо дороже. Преимущественной областью применения солнечных коллекторов является подогрев в теплое время года воды, используемой в системе горячего водоснабжения. В этих системах разность температур подогретой воды и окружающего солнечный коллектор воздуха обычно лежит в интервале 20…40 °С, в котором более дешевые плоские коллекторы работают с коэффициентом полезного действия, отличающимся не более чем на 7% от КПД очень дорогого вакуумного коллектора.

Бак-теплообменник-аккумулятор. Специфика работы систем солнечного теплоснабжения заключается в необходимости аккумулирования солнечной тепловой энергии с целью ее использования в различное время суток, следовательно, в необходимости использования бака-аккумулятора. Данная необходимость обусловлена нестабильностью солнечного излучения в течение суток, в то время, как горячая вода и тепловая энергия для целей отопления необходима, в т.ч. когда солнечное излучение вообще отсутствует. Эффективность гелиосистемы значительно зависит от правильности выбора объема баков-аккумуляторов.

Все бойлеры должны устанавливаться в помещении, защищенном от атмосферных воздействий (не предназначены для работы на открытом воздухе). С точки зрения использования водонагревателей в гелиосистемах можно выделить несколько типов:

Вертикальные баки косвенного нагрева. Могут использоваться как в системах с естественной, так и с принудительной циркуляцией теплоносителя. С одним теплообменником. Применяются в гелиосистемах, когда площадь одного теплообменника достаточна для отбора тепловой энергии устанавливаемой площади солнечных коллекторов и нет необходимости догрева от одноконтурных котлов (в качестве дублирующего источника устанавливается электрический ТЭН или догрев осуществляется с помощью двухконтурных котлов). С двумя теплообменниками. Применяется в гелиосистемах, для дублирования от одноконтурных котлов, а также, если есть необходимость отбора тепловой солнечной энергии на отопление. Если Вы монтируете котельную и планируете в будущем установить гелиосистему, целесообразно использовать одноконтурный котел и бак с двумя теплообменниками (на верхний подключить котел).

Горизонтальные баки косвенного нагрева. Объем бака 125-200 л. Используется в гелиосистемах с естественной циркуляцией теплоносителя, если нет возможности расположить бак вертикального исполнения (горизонтальный бак удобно располагается под коньком крыши). В других случаях рекомендуем использовать баки вертикального исполнения.

Контроллер - обязательный элемент гелиосистем с принудительной циркуляцией теплоносителя. Он предназначен для управления процессом нагрева от солнца и контроля состояния гелиосистемы, а также, в зависимости от контроллера, может управлять и другими теплотехническими процессами в общей системе. Контроллер получает информацию от датчиков температуры (один из которых обязательно находится в солнечном коллекторе) и выбирает необходимый режим работы.

Эффективность и безопасность гелиосистемы в значительной мере зависят от контроллера: правильности заложенных алгоритмов работы гелиосистемы, надежности элементов.

Насосная станция используется в гелиосистемах с принудительной циркуляцией (такая система на 30% эффективнее системы с естественной циркуляцией) и предназначена для обеспечения циркуляции теплоносителя в коллекторном круге (бак-коллекторы-бак).

Гидравлическое сопротивление коллекторного круга достаточно мало, это даёт возможность использовать маломощные насосы, потребляемая мощность которых ничтожно мала по сравнению с полученной тепловой энергией от солнечных коллекторов.

Мощность необходимого насоса зависит от нескольких факторов:

количество коллекторов;

используемый теплоноситель;

длина и диаметр трубопровода от солнечных коллекторов до бака.

Трубопровод (трубы и теплоизоляция). Трубы необходимо использовать металлические (медь, нержавеющая сталь), т.к. все известные нам пластиковые трубы не выдерживают возможные температуры (максимальная температура пара в контуре, даже неэффективных солнечных коллекторов, может достигать 150°С, а рабочая температура теплоносителя - 110°С). По этой же причине повышенные требования и к трубной теплоизоляции, которая должна выдерживать высокие температуры, а также не впитывать влагу и не давать усадку.

Удовлетворяет всем необходимым требованиям теплоизоляция из вспененного каучука. Для обеспечения достаточного снижения тепловых потерь в трубопроводе, а также в целях безопасности необходимо применять теплоизоляцию толщиной не менее 19 мм.

Расширительные баки. Контур солнечных коллекторов - замкнутый, при изменении температуры изменяется объем жидкости и, чтобы компенсировать изменения в объемах, необходимо использовать расширительные баки.

Необходимые требования:

рабочее давление 6 атм., максимальное 10 атм.

для увеличения срока службы мембраны, необходимо создать азотную подушку.

Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рис.1 и предусматривает работу установки в режимах:

отопления и горячего водоснабжения;

горячего водоснабжения.

Рис. 1 - Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения

Система ССТ включает три контура циркуляции:

первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;

второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;

третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

Функционирует ССТ следующим образом (1, с.5-9). Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 2.

Из бака-аккумулятора вода забирается насосом ГВС 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему ГВС здания. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется из водопровода.

Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4.

В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6.

3. РАСЧЕТ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ УСТАНОВКИ ССТ ДЛЯ УЧЕБНОГО КОРПУСА №6 АМУРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

3.1 Расчет тепловой нагрузки на отопление здания

В связи с отсутствием достоверных данных, расчет тепловых нагрузок на отопление отдельного здания определяется по укрупненным показателям (6, с. 18-30).

(1)

где б- поправочный коэффициент, учитывающий отличие расчетной температуры наружного воздуха для проектирования отопления to от

to = -30 °С, при которой определено соответствующее значение qo; принимается по таблице [3];

-расчетная температура наружного воздуха, °С;

- температура воздуха внутри помещения, °С;

V- объем здания по наружному обмеру, м3;

- удельная отопительная характеристика здания, ккал/м3 ч°С;

- расчетный коэффициент инфильтрации, обусловленной тепловым и ветровым напором, т.е. соотношение тепловых потерь зданием с инфильтрацией и теплопередачей через наружные ограждения при температуре наружного воздуха, расчетной для проектирования отопления.

Расчетный коэффициент инфильтрации Kи.р определяется по формуле:

(2)

где g - ускорение свободного падения, м/с2;

L - свободная высота здания, м;

w0 - расчетная для данной местности скорость ветра в отопительный период, м/с; принимается по СНиП 23-01-99.

Средняя тепловая нагрузка на отопление (приложение Б)

(3)

-расчетная тепловая нагрузка отопления, Гкалл/ч;

-средняя температура наружного воздуха за отопительный период, °С.

Годовая тепловая нагрузка на отопление

(4)

-длительность отопительного периода, ч.

Расчетный расход теплоносителя на отопление, кг/с:

(5)

3.2 Расчет системы солнечного теплоснабжения

Основным параметром ССТ является годовая удельная теплопроизводительность, определяемая из уравнения (приложение В).

q = a + b (H - 1000), кВт·ч/м2, (6)

где H - среднегодовая суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВт·ч/м2;

a, b - параметры, определяемые из уравнения (6) и (7)

a=(1 + 2r + 3r2) + (4 + 5r + 6r2) f + (7 + 8r + 9r2) f2; (7)

b=(1 + 2r + 3r2) + (4 + 5r + 6r2) f + (7 + 8r + 9r2) f2; (8)

где r - характеристика теплоизолирующих свойств ограждающих конструкций здания при фиксированном значении нагрузки ГВС, представляет собой отношение суточной нагрузки отопления при температуре наружного воздуха равной 0 °С к суточной нагрузке ГВС. Чем больше r, тем больше доля отопительной нагрузки по сравнению с долей нагрузки ГВС и тем менее совершенной является конструкция здания с точки зрения тепловых потерь; r = 0 принимается при расчете только системы ГВС.

Характеристика определяется по формуле

(9)

где - удельные тепловые потери здания, Вт/(м3·°С);

m - количество часов в сутках;

k - кратность вентиляционного обмена воздуха, 1/сут;

в - плотность воздуха при 0 °С, кг/м3;

- теплоемкость воздуха при 0 °С и постоянном давлении, Вт·ч/(кг·°С);

V - объем здания по наружному обмеру, м3;

tвн - температура воздуха внутри здания, °С;

l - суточная нагрузка ГВС, равная 517 Вт·ч/м2;

S - жилая площадь здания, м2;

1…9; 1…9 - коэффициенты, (5, табл.1 и 2);

f - коэффициент замещения, ориентировочно принимается от 0,2 до 0,4.

Уравнение (5) применимо при использовании схемы, приведенной на рис.1.

Значения ,k, V, tв, S закладываются при проектировании ССТ.

Уравнение (5) применимо при значениях:

1050 H 1900;

1 r 4;

0,2 f 0,4.

Общая площадь поверхности солнечных коллекторов находится по формуле

F = Qf / q, м2. (10)

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

3.3 Выбор оборудования

По каталогу «Солнечные коллекторы с вакуумными высокотемпературными трубками ES 58-1800- R1» выбираем коллекторы со следующими характеристиками:

площадь одного коллектора 4,86 м2;

количество трубок 30;

глубина 0,145 м;

стоимость 39800 руб.

Количество коллекторов равно:

(11)

Тогда сумма, затраченная на приобретение коллекторов:

(12)

Бак - аккумулятор выбираем исходя из объема необходимого количества теплоносителя. Объем таких емкостей рассчитывается исходя из количества солнечных коллекторов, и ни в коем случае не определяется от объема теплоносителя в отопительной системе. В среднем это значение равно 75 л на один метр квадратный площади абсорбера солнечной системы.

(13)

По каталогу из соотношения цена-качество выбрали 15 бак-аккумуляторов полной комплектации (трубы и теплоизоляция) с двумя теплообменными спиралями LogaluxPNR1000-80 EW объемом 1000 л и стоимостью 99675 руб/шт.

(14)

Насосную станцию выбираем исходя из расхода теплоносителя G=0,916 л/с. Для бесперебойной циркуляции установим 7 насосов марки TYY/SS-III, мощностью 93 Вт и регулятором потока: 2-8 л/мин (0,03-0,13 л/с), стоимостью 10000 руб/шт.

(15)

На каждый контур с одним баком-аккумулятором устанавливаем контроллер марки SM-SS-F, с точностью измерения температуры ± 2 oC, предел измерения температуры 0 ~150 oC. Входы: 4 датчика, 1 датчик Pt1000 (?500 oC) для коллектора, 1 или 2 датчика NTC10K, B3950 (? 135 oC) для бака, 1 датчик NTC 10K, B3950 для насоса отопления. (PVC кабель ?105 oC). Выходы: 4 реле, одно для тена, 2 для насосов, 1 для клапана. Окружающая температура: -10 oC ~ 50oC. Класс защиты воды: IP40. Стоимоть: 6219 руб.

(16)

Рис. 3 - Схема присоединения контроллера в ССТ

По данным энергоаудиторской компании ООО «Этери» в г. Благовещенск стоимость монтажа системы из 3 коллекторов и 1 бака-аккумулятора составляет 15000 руб.

(17)

Таким образом ориентировочная сумма капитальных затрат составляет:

(18)

3.4 Ежегодная экономия

Система солнечного теплоснабжения ввиду своих особенностей неспособна полностью замещать центральное отопление круглосуточно, поэтому в ночное время и пасмурные дни в качестве резервного источника будет также задействовано центральное отопление.

Эксплуатация ССТ включается себя:

затраты на электроэнергию для привода насосов.

(19)

где Р-мощность одного насоса, Вт;

n-число насосов, ед;

-время функционирования системы (отопительный период), ч

-тариф на электрическую энергию, коп/кВт•ч;

затраты на резервное отопление:

(20)

где -время функционирования резервного отопления в год, ч;

-тариф на тепловую энергию, руб/Гкал;

Общие затраты составят:

Определим затраты на теплоснабжение за счет центрального отопления:

Тогда годовая экономия денежных средств составит:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По итогам выполненных расчетов можно сделать вывод, что использование системы солнечного теплоснабжения для отопления учебного корпуса №6 Амурского Государственного Университета выгодно и целесообразно.

В зависимости от типа и характеристик выбранного оборудования гелиоустановки окупают себя за срок от 2-х до 5-ти лет. Согласно расчетам срок окупаемости, рассмотренной системы составляет 4 года при гарантийном сроке 15 лет, что является позитивным фактором для финансирования аналогичных проектов.

Данная система отлично комбинируется с другими энергосберегающими устройствами. Так, например, в качестве резервных источников можно использовать такие передовые технологии как вихревой теплогенератор, фотоэлементы, аккумуляторы энергии, что позволит снизить ежегодные экономические затраты на эксплуатацию до минимума.

Следует учесть то, что начальные вложения на установку солнечной водонагревательной системы в разы выше по сравнению с традиционными системами теплоснабжения (газовые или электрические котлы) и составляет примерно 80USD за один кВтч энергии (примерно 1900USD за 1кВт мощности системы) на период окупаемости. Дальнейшее использование системы предусматривает незначительные затраты только на плановые ремонты. Солнечные водонагреватели способны обеспечивать до 100% потребностей в горячей воде и обеспечить от 50% до 70% экономии затрат на отопление.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Расчет тепловой нагрузки на отопление

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Расчет системы солнечного теплоснабжения

Расчет системы солнечного теплоснабжения

кратность вентиляции

плотность воздуха

Вт*ч/(кг·К)

,

благовещенск солнечный теплоснабжение

удельная теплопроизводительность

площадь поверхности СК

коэффициент замещения

для южной части европейской части

,

Размещено на Allbest.ru