О выборе коллектора для системы солнечного теплоснабжения
Опубликовано: 30 сентября 2010 г.
343
Е. Котляров, А. Анохин, к. т. н.
Определяя состав оборудования для системы солнечного теплоснабжения, ее потенциальный владелец или проектировщик задается вопросом, какой коллектор выбрать – плоский или вакуумный, с концентратором или без него, металлический или пластиковый. Как определить наиболее подходящую конструкцию коллектора применительно к конкретной задаче? Аргументированный ответ на данный вопрос требует инженерного анализа, пример которого представлен в этой статье.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Виды коллекторов и их характеристики
За последние 30 лет производство солнечных систем теплоснабжения получило заметное развитие, проявившееся в расширении ассортимента и улучшении качества оборудования для гелиоустановок. При этом в порядке технической поддержки разработчики поставляют и компьютерные программы, обеспечивающие эффективное и целенаправленное применение гелиотехники.
Значительный сегмент современного рынка гелиотехники занимают системы солнечного теплоснабжения с дублирующим источником тепла и принудительной циркуляцией теплоносителя для обеспечения ГВС. Рассмотрим решение поставленной задачи применительно именно к системам этого вида. Поскольку основными элементами водонагревательных гелиоустановок являются солнечные коллекторы, произведем сравнение расчетных характеристик самых распространенных из них.
Конструкции наиболее часто предлагаемых на сегодняшний день коллекторов приведены на рис. 1. Это – плоские (А, Г) и вакуумные трубчатые (Б, В) коллекторы. Устройства типов A, Б, В применяются практически во всех случаях для ГВС и отопления. Коллекторы типа Г полностью выполняются из пластика и служат исключительно для нагрева воды в бассейне.
Чаще всего используются плоские коллекторы с однослойным остеклением, так как их стоимость и тепловая производительность имеют наиболее приемлемое соотношение. В зимнее время (или в северных широтах) становится заметным преимущество вакуумных коллекторов. Отметим: для сравнения выбраны коллекторы от ведущих производителей, лучшие в своих классах. КПД современных коллекторов выражают формулой:
(1)
где Eg – плотность суммарного падающего на коллектор солнечного излучения, Вт/м2; ΔT – разность между средней температурой теплоносителя в коллекторе и температурой окружающей среды; η0 – КПД коллектора при ΔT = 0 °С (в большинстве случаев эта величина равна произведению пропускной способности стекла ϕ и поглощательной способности абсорбера As); значения коэффициентов k1 и k2 зависят от конструкции коллектора.
В физическом смысле КПД выражает отношение тепловой энергии, отведенной от абсорбера с помощью циркулирующего через коллектор теплоносителя, к падающей на него суммарной лучистой энергии.
Современные производители коллекторов измеряют КПД экспериментально – для каждой конкретной конструкции. Потом проводится корреляция полученных значений с учетом приведенного выше уравнения. В инженерных расчетах необходимо учитывать, что КПД изменяет свое значение в течение дня и года, в зависимости от температуры коллектора и температуры окружающей среды, а также от интенсивности падающего излучения.
На рис. 2 приведены кривые эффективности коллекторов для летнего и зимнего периодов года в районе Краснодара. Весь дальнейший анализ выполнен также применительно к этому региону. С целью упрощения построения кривых в качестве значений Eg выбраны среднедневные солнечные потоки для января (190 Вт/м2) и июля (705 Вт/м2).
Необходимая для расчета дневная суммарная падающая радиация (по месяцам) может быть взята из справочников, но есть и надежные источники в Интернете, которые позволяют получить необходимые данные в режиме on-line. Так, для расчета суммарной солнечной радиации в регионе Краснодара авторы статьи воспользовались интерактивной системой Photovoltaic Geographical Information System (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis).
Из графиков видно, что в зимнее время (рис. 2,а) рабочая область температур коллектора (выделена пунктиром) смещается вправо, а значение КПД с ростом температуры коллектора снижается более интенсивно. Данный пример подразумевает температуру бака на уровне не менее 50 °С, а рабочую температуру коллектора – на 10 °С выше. Заметим, что характеристика пластикового коллектора вообще не попадает в условно отмеченную рабочую область.
Сравнение коллекторов можно продолжить, используя простую методику расчета, предлагаемую строительными нормами ВСН-5286 «Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования» (М.: Госгражданстрой, 1988). Согласно этой методике, для заданного количества горячей воды мы можем вычислить потребную площадь коллекторов по формуле:
(2)
где G – масса воды (кг), нагретой от температуры tw1 до температуры tw2, °С; Σgj – суммарная солнечная энергия, принятая за день 1 м2 солнечного коллектора, Вт⋅ч/м2; η – КПД коллектора.
ВСН-5286 рекомендует рассчитывать КПД коллектора по следующей формуле:
(3)
где U – коэффициент потерь, паспортная характеристика коллектора (Вт/м2 ⋅К); t1 и t2 – минимальная и максимальная температуры теплоносителя в коллекторном контуре соответственно, а te – температура окружающей среды, °С; Σgj/9 – среднедневной падающий поток, Вт/м2; θ – то же, что и η0 в выражении (1). В отечественной литературе нелинейностью характеристики коллектора, как правило, предлагают пренебречь. Температурный напор между выходной и входной температурой нагреваемой воды (tw1 , tw2) и соответствующими температурами теплоносителя (t1, t2) задают равным 5 °С.
Плоский или вакуумный?
На рис. 3 графически показаны результаты расчета площади коллекторов типа А и Б (кривые 1, 2), необходимой для получения 250 л/сут воды температурой 45 °С, выполненного с использованием формул (2) и (3) для всех месяцев года. С апреля по сентябрь результаты для плоского и вакуумного коллектора очень близки, но в холодные месяцы наблюдается заметное различие. Приняв значение площади коллекторов равным 3,5 м2, рассчитаем с помощью тех же соотношений производительность гелиотермической установки (рис. 3, кривые 4 и 5). Из графиков видно, что в период с апреля по сентябрь будут иметь место перепроизводство горячей воды или её перегрев. Интегрирование кривых 4 и 5 показывает, что доля гелиосистемы в общем количестве тепла, необходимого для круглогодичного ГВС в объеме 250 л/сут, при использовании коллектора типа А составит 78, а при использовании коллектора типа Б – 88 % (с учетом равенства площадей абсорберов и зачетом перепроизведенного тепла).
На практике перепроизводства тепла в солнечных установках стараются не допускать (если в системе нет сезонных аккумуляторов тепла), поэтому вклад солнечной энергии в обеспечение ГВС для обычных солнечных систем планируют на уровне не выше 40–70 % годовой потребности.
Для развернутого представления принципа работы солнечных установок можно построить простую нестационарную модель, учитывающую влияние теплоемкости бака-аккумулятора и коллекторов, почасовую циклограмму потребления горячей воды и почасовую циклограмму падающего солнечного излучения, а также симулировать включение и выключение «циркуляционника» коллекторного контура и электронагревателя в зависимости от температуры воды в баке. Модель описывается рядом уравнений, которые в данной статье не приводятся. По ссылке в Интернете (http://easycalc.chat.ru) читатели могут самостоятельно поэкспериментировать с программой для их решения.
Прежде всего интересно выяснить, в чем проявляется отличие коллекторов типа А и Б при симуляции нестационарной работы гелиоустановки. Моделирование установившегося суточного цикла в феврале представлено на рис. 4. При установившемся цикле температура воды в баке в начале и конце цикла должна иметь одно и то же значение, что обеспечивается повторными расчетами для одних и тех же суток. На графиках показаны суточный сценарий водоразбора (циклограмма ГВС), периоды работы нагревателя, профиль средней температуры бака и температуры коллектора с учетом включения и выключения циркуляции в контуре коллекторов. Серые линии иллюстрируют расчет для плоского коллектора, цветные – для вакуумного, шаг интегрирования – 3 с.
Сравнение плоского и вакуумного коллекторов с равной площадью абсорберов в данном расчете справедливо для рассматриваемого месяца (февраль). Коллекторы покрывают, соответственно, 31 и 47 % производительности (100 % – вся тепловая энергия, необходимая для обеспечения ГВС в объеме 250 л/сут).
Надо отметить, что результаты нестационарного расчета соотносятся с расчетами, проведенными по методике ВСН, но каждый из двух представленных методов страдает определенными недостатками и не может быть использован для получения убедительных количественных оценок.
Метод ВСН не учитывает тепловую инерцию, характер работы системы ГВС, температуру регулирования и объем бака, расход теплоносителя в «солнечном» контуре, переменную длительность светового дня и другие факторы.
Простая нестационарная модель не дает всей картины работы установки за год, а кроме того, не учитывает градиента температуры в баке, внешнего теплообмена транспортных и циркуляционных трубопроводов, термического сопротивления промежуточного теплообменника и т.п. Многие из недостатков второго метода могут быть отнесены как дополнительные к первому.
Большинства перечисленных недостатков лишены современные профессиональные программы, разработанные для расчета инженерных характеристик гелиосистем. Одна из таких программ – T-Sol – разработана в Германии и позволяет выполнять следующие действия:
• моделировать работу (почасовую) гелиоустановки за любой период времени в пределах года;
• учитывать неодинаковый профиль потребления горячей воды по часам суток, дням недели и месяцам;
• моделировать затенение коллекторов различными объектами: зданиями, деревьями, элементами ландшафта, в том числе учитывать затенения сезонного характера (например, листвой деревьев);
• учитывать в широком диапазоне фактическую ориентацию и угол наклона коллекторов;
• рассматривать различные схемные решения гелиосистем с разным числом аккумуляторов, типом дублирующих источников энергии, наличием в системе отопления панельного и радиаторного отопления, подключением бассейна и т.п.;
• проводить экономические оценки для разного типа замещаемого топлива, а также рассчитывать эффект по снижению вредных выбросов в атмосферу;
• осуществлять оптимизацию и сравнение различных вариантов решения одной и той же задачи;
• выводить графическую и отчетную документацию, содержащую множество локальных и интегральных параметров (температурных, энергетических, тепловых и др.), характеризующих работу гелиоустановки.
С помощью указанной программы проведем сравнение двух гелиоустановок, оборудованных, соответственно, вакуумными и обычными плоскими остекленными коллекторами, приняв за данность следующие условия:
• идентичность климатических и эксплуатационных характеристик, в частности, одинаковую для обеих установок ориентацию коллекторов;
• годовое покрытие солнечной энергией нужд ГВС должно быть близким к максимальному.
Порядок расчетов:
1) площадь плоских коллекторов варьируется до тех пор, пока не получим высокого (порядка 60 %) расчетного годового покрытия нужд ГВС солнечной энергией без перепроизводства в летние месяцы;
2) определим параметры вакуумных коллекторов, обеспечивающих годовое солнечное покрытие нужд ГВС, аналогичное полученному в предыдущем пункте. Это также обеспечивается варьированием площади абсорбера.
Далее можно сравнивать площади и стоимость абсорберов обоих типов.
Результаты расчетов отражены на графиках рис. 5, 6. Покрытие нужд ГВС солнечной энергией составляет в каждом случае 59,2 %. При этом требуемая площадь плоского абсорбера составляет 3,5, а вакуумного – 2,84 м2. В то же время стоимость 1 м2 коллекторов второго типа в 3,46 раза выше. Таким образом, энергия, полученная с помощью вакуумных коллекторов в рассматриваемых условиях, заметно дороже. Кроме того, какихлибо других очевидных преимуществ, существенных для круглогодичной работы гелиотермической установки, для коллекторов данного типа не выявлено.
С другой стороны, на практике, не получится обеспечить площадь абсорберов с точностью до 0,1 м2, так как придется подбирать целое число коллекторов, а еще, возможно, сопоставлять разные ценовые категории. Сравнение этих же типов коллекторов применительно к отоплению является вообще иной задачей.
Пластиковый или остекленный?
Еще один вопрос, с которым приходится сталкиваться в процессе практического внедрения гелиотехники: с помощью чего лучше греть воду в бассейне – эффективными остекленными коллекторами (тип А) или более примитивными (менее производительными) – пластиковыми (тип Г)? Постараемся ответить на него, решив следующую задачу.
Условия. Имеется открытый бассейн площадью 10×5 и средней глубиной 1,8 м. Нагрев воды производится только солнечной энергией (без применения дублирующего нагревателя), в том числе – напрямую от солнца. Использование бассейна осуществляется с середины мая до середины сентября, бассейн заполняется перед началом сезона, и его поверхность открыта круглые сутки.
Варьируя площадь абсорберов, определяем с помощью программы Т-Sol эффект работы коллекторов, рассчитав среднюю температуру воды в бассейне в наиболее холодный и теплый месяцы его использования (май, июль). Отметим, что тепловые схемы с коллекторами типов А и Г различны: в первом случае тепло от абсорберов передается нагреваемой воде через промежуточный теплообменник (используется дополнительный «циркуляционник»), во втором – напрямую. Это учтено в расчетах, результаты которых представлены в виде графиков на рис. 7, отражающих зависимость среднемесячной температуры воды в бассейне от площади коллекторов различного типа.
В соответствии с результатами расчета, вода в бассейне может прогреться в июле до высокой температуры без применения коллекторов (скорость ветра была принята равной нулю). Ее поддержание, очевидно, будет осуществляться периодическими включениями системы нагрева, обеспечиваемыми автоматикой. Поэтому сравнение систем логично произвести по минимальной температуре, имеющей место в мае. Примем ее значение равным 22 °С. Проведя на графике (см. рис. 7) изотерму Х1, получим, что соотношение площадей коллекторов типа Г и А составит 1,458 : 1. При этом соотношение их удельной стоимости составляет, соответственно, 3,14 : 1. Таким образом, применение пластиковых коллекторов вполне обосновано. (Примечание: по одной из упрощенных методик подбора пластиковых коллекторов рекомендуется выбирать их площадь равной 70 % зеркала бассейна; поэтому сравнение было проведено для пластикового коллектора площадью 35 м2.)
Дополнительно следует учитывать, что для схем с пластиковыми коллекторами не требуются промежуточный теплообменник и второй циркуляционный насос. В абсорбер подается непосредственно вода из бассейна. При этом в некоторых случаях для организации ее циркуляции можно задействовать насос, имеющийся в системе водоподготовки бассейна. Температура стагнации пластиковых коллекторов не столь высока, поэтому отключение нагрева бассейна не скажется драматично на ресурсе коллекторов. Перечисленные факторы сделали пластиковые коллекторы вполне конкурентоспособными по отношению к остекленным коллекторам, применительно к задаче подогрева воды в бассейнах.
В качестве замечания
Данные примеры касаются частной ситуации и применимы к определенному региону (Краснодар), но позволяют углубить понимание предмета в общем. По аналогии можно анализировать и другие задачи, возникающие в повседневной практике применения гелиосистем.
Заметим, что обобщение связанных с применением гелиотехники задач обеспечивается благодаря разработке инженерных методик и созданию программного обеспечения. Лишь затем полученный инструмент используют для целенаправленного инженерного анализа и оптимизации частных задач. Это своего рода предостережение от обобщений поверхностного характера.
Авторы не ставили перед собой задачи прорекламировать программный продукт T-Sol. На рынке существует несколько весьма авторитетных программ, которые позволяют выполнять подобные инженерные расчеты на современном уровне. Применять или не применять для работы современные инструменты, а также какие именно и как, каждый решает сам.
Статья предоставлена ООО «Рэинбоу – Инженерные системы». Напечатана в журнале «Аква-Терм» #5(45) 2010