Приложение А (рекомендуемое). Определение тепловых характеристик систем солнечного теплоснабжения

Приложение А
(рекомендуемое)

Определение
тепловых характеристик систем солнечного теплоснабжения

А.1 Общие положения

В настоящем приложении разъясняется применение методики расчета В, описанного в 5.3, для:

- системы предварительного подогрева для системы горячего водоснабжения;

- комбинированной системы солнечного теплоснабжения.

Для этих двух систем определены основные характеристики, а также способ определения их теплопроизводительности.

А.2 Система предварительного подогрева воды для горячего водоснабжения

А.2.1 Общие положения

В первом примере представлена система солнечного горячего водоснабжения с солнечным коллектором, испытанным по ГОСТ Р 51596, [17], с апертурной площадью 2,702 , оптическим КПД, равным 0,8026, коэффициентом тепловых потерь, равным 3,723 и коэффициентом температурной зависимости коэффициента тепловых потерь солнечного коллектора второго порядка равным 0,0135 . Контур коллектора оборудован циркуляционным насосом номинальной мощностью 50 Вт, используемым также для заполнения контура водой. После заполнения контура насос переключают на мощность 20 Вт. Внутри бака-аккумулятора расположены теплообменник контура коллектора и прямой водозабор водопроводной воды. Объем бака-аккумулятора равен 120 л. Бак-аккумулятор и насос расположены на первом этаже здания в его обогреваемой части. Отопительный сезон продолжается с октября по март включительно. Отдельный резервный нагреватель всегда находится в режиме ожидания. Трубы между баком-аккумулятором и резервным нагревателем теплоизолированы. Циркуляция водопроводной воды через систему и резервный нагреватель осуществляется под давлением.

Задача состоит в определении тепловых характеристик этой системы солнечного горячего водоснабжения, находящейся в De Bilt, Нидерланды, при потреблении 110 л горячей воды в день (нагрев воды от 15°С до 65°С). Угол наклона плоскости солнечного коллектора к горизонту минус 45°, коллектор ориентирован на юг. Значения среднемесячных температур наружного воздуха и плотностей потока солнечного излучения, месячные суммы солнечного излучения в плоскости коллектора приведены в таблице А.1. Среднегодовая температура холодной воды равна 12°С.

Таблица А.1 - Среднемесячные температуры наружного воздуха и плотности потока солнечного излучения, месячные суммы солнечного излучения в плоскости коллектора (угол наклона 45°, южная ориентация) для места эксплуатации De Bilt, Нидерланды

Параметр	Месяц
	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
, °С	2,5	2,7	5,6	8,0	11,9	15,5	17,0	16,4	13,8	11,2	6,0	3,4
I, Вт/	40	65	126	167	193	209	187	206	139	94	51	33
,	30	44	94	120	143	151	139	154	100	70	37	25

Расчет тепловых характеристик выполнен поэтапно согласно 5.3.

А.2.2 Определение количества подведенного тепла

Определяется тепловая нагрузка горячего водоснабжения. Ежедневный расход тепла на горячую воду составляет:

.

В этом примере тепловые потери трубопроводов между резервным нагревателем и точками отбора воды составляют 10% количества подведенного тепла, что соответствует 0,64 . Согласно 5.3.2 потери тепла между баком-аккумулятором и резервным нагревателем приниматься в расчет не должны. Месячные значения расхода тепла на горячую воду приведены в таблице А.З.

А.2.3 Параметры системы

Большинство параметров системы, необходимых для определения значений X, Y и в распоряжении имеются. Следует рассчитать поправочный коэффициент на вместимость бака-аккумулятора:

.

Если КПД контура коллектора неизвестно, то его берут из А.2. Неизвестное значение общего коэффициента тепловых потерь труб контура коллектора также берут из Б.2 приложения Б. Затем можно рассчитать значение :

.

В таблице А.2 перечислены характеристики, необходимые для расчета теплопроизводительности системы солнечного теплоснабжения.

Таблица А.2 - Характеристики компонентов системы солнечного теплоснабжения для расчета производительности

Солнечный коллектор		Контур коллектора		Бак-аккумулятор
А	2,702		0,9		120 л
	0,8026		20 Вт		1,14
IAM	0,94	-	-	-	-
	6,613	-	-	-	-

А.2.4 Определение X, Y и производительности системы солнечного теплоснабжения #

Значения X, Y и рассчитывают для каждого месяца, используя месячные значения тепла, необходимые для нагрева горячей воды для водоснабжения и характеристики системы, перечисленные в таблице А.2. Значение в январе составляет 20 , в ноябре 2 и в декабре 27 ; эти значения приравнивают к нулю. Годовая производительность системы равна 950 .

Таблица А.3 - Среднемесячные значения расхода тепла на горячую воду X, Y и теплопроизводительности солнечной DHW системы предварительного нагрева

Месяц	Параметры
	,	X	Y	,
Январь	218	6,22	0,249	0
Февраль	197	6,19	0,409	9
Март	218	5,77	0,791	78
Апрель	211	5,43	1,048	113
Май	218	4,85	1,208	142
Июнь	211	4,33	1,312	154
Июль	218	4,12	1,174	145
Август	218	4,20	1,293	158
Сентябрь	211	4,58	0,873	98
Октябрь	218	4,96	0,587	53
Ноябрь	211	5,71	0,320	0
Декабрь	218	6,09	0,208	0
За год	2564	-	-	950

A.2.5 Определение энергии для собственных нужд

Значение энергии на работу насоса в контуре коллектора рассчитывают по формуле (16), где мощность насоса равна 20 Вт, а годовая продолжительность эксплуатации насоса 2000 ч, распределенная по месяцам в поступлении солнечного излучения на площадь приемника в таблице А.1. Значения энергии, расходуемой на собственные нужды, перечислены в таблице А.4. Годовое общее значение равно 40 .

Таблица А.4 - Среднемесячные значения расхода энергии на работу насоса в контуре коллектора

Параметр	Месяц												За год
	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
,	1,1	1,6	3,4	4,3	5,2	5,5	5,0	5,6	3,6	2,5	1,3	0,9	40

А.2.6 Определение потерь тепловой солнечной системы

Общий коэффициент тепловых потерь не был измерен, поэтому его значение рассчитывают по формуле (Б. 13) приложения Б:

.

Так как бак-аккумулятор солнечного коллектора установлен в отапливаемой части здания, то = 20°С.

Отношение / берут из таблицы А.3. Исходя из этого, рассчитывают тепловые потери бака-аккумулятора по формуле (17). Результаты расчетов представлены в таблице А.5. Годовые потери тепла бака-аккумулятора равны 228 .

Потери тепла в трубах между баком-аккумулятором и резервным нагревателем можно рассчитать по формуле (Б.10) приложения Б. Результаты расчетов представлены в таблице А.5. Годовые потери тепла в трубах равны 19 .

Таблица А.5 - Ежемесячные значения потерь тепла бака-аккумулятора и труб между баком-аккумулятором и резервным нагревателем

Параметр	Месяц												За год
	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
,	0	2,3	18,6	27,0	33,9	36,8	34,8	37,9	23,5	12,8	0	0	228
,	0	0,2	1,6	2,3	2,8	3,1	2,9	3,2	2,0	1,1	0	0	19

А.2.7 Определение возмещаемых потерь системы солнечного теплоснабжения

Часть энергии для собственных нужд и потери тепла системы солнечного теплоснабжения являются возмещаемыми и могут быть отнесены к отоплению здания в течение отопительного сезона согласно Б.8 приложения Б:

50% расхода энергии на собственные нужды;

100% тепловых потерь бака-аккумулятора и труб между баком-аккумулятором и резервным нагревателем, поскольку и солнечный аккумуляторный бак, и резервный нагреватель расположены в отапливаемой части здания.

Возмещаемые потери перечислены в таблице А.6. Годовые возмещаемые потери равны 42 .

Таблица А.6 - Ежемесячные значения возместимых потерь тепловой солнечной системы

Параметр	Месяц												За год
	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
,	0,5	0,8	1,7	-	-	-	-	-	-	1,3	0,7	0,4	-
,	0	23	186	-	-	-	-	-	-	128	0	0	-
,	0	0,2	1,6	-	-	-	-	-	-	1,1	0	0	-
,	0,5	3,3	21,8	-	-	-	-	-	-	15,1	0,7	0,4	42

А.3 Солнечная комбинированная система

А.3.1 Общие положения

Во втором примере рассматривается солнечная комбинированная система, имеющая солнечный коллектор с апертурной площадью 8,4  и бак-аккумулятор объемом 800 л. Верхняя часть бака-аккумулятора объемом 200 л нагревается резервным нагревателем для получения горячей воды. Для отопления помещения бак-аккумулятор действует как система предварительного нагрева, т.е. предварительно нагретая вода нагревается резервным нагревателем до ее поступления в распределительную систему. Резервный нагрев возможен в любое время в соответствии с правилами микробиологической защиты горячей воды. Резервный нагреватель включает в себя насос как для распределения тепла в отапливаемой части, так и для передачи резервного тепла в верхнюю часть бака-аккумулятора объемом 200 л для получения горячей воды. Стандартная продолжительность эксплуатации насоса в общепринятых комбинированных системах (без использования солнечной энергии) с соответствующими функциональными возможностями составляет 1000 ч в год, а ее распределение в течение года зависит от количества тепла. Мощность насоса в резервной части составляет 70 Вт. Характеристики солнечного коллектора (угол наклона, ориентация), его контура и насоса те же, что и в первом примере.

Система предназначена для дома на одну семью с годовой выработкой тепла на отопление 100 площади пола и забором горячей воды объемом 140 л в день при перепаде температур от 15°С до 65°С. Это низкотемпературная система распределения тепла для отопления; ее расчетная температура равна 40°С. Дом расположен в Цюрихе. Ежемесячные значения средней температуры воздуха, плотности потока солнечного излучения и поступления солнечного излучения на плоскость коллектора представлены в таблице А.7. Средняя годовая температура холодной воды равна 9,7°С.

Задача состоит в определении тепловых характеристик этой солнечной комбинированной системы. Расчет тепловых характеристик выполняют согласно с этапами, приведенными в 5.3.

Таблица А.7 - Среднемесячные значения температуры воздуха, плотности потока солнечного излучения и поступления излучения на плоскость коллектора под углом 45°, южной ориентации, для Цюриха [см. Б.4 и Б.5 (приложение Б)].

Параметр	Месяц
	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
, °С	0,1	0,5	4,8	8,0	12,5	15,2	18,8	18,1	14,5	9,9	4,1	1,6
I, Вт/	72	105	141	164	183	190	214	204	171	121	72	57
,/	54	71	105	118	136	137	159	152	123	90	52	42

А.3.2 Определение значения тепла

Ежедневный расход тепла для нагрева воды составляет .

Предполагают, что потери тепла в трубах между резервным нагревателем и точками отбора воды составляют 10% расхода подведенного тепла, что соответствует 0,81 . Для данного метода расчета количество тепла на отопление включает в себя другой важный источник подвода тепла. Среднемесячные значения расходов тепла на горячее водоснабжение и отопление, а также отношения этих расходов тепла к их сумме представлены в таблице А.8. Отношения расходов тепла и необходимы для последующего расчета теплопроизводительности тепловой солнечной системы.

Таблица А.8 - Среднемесячные значения расходов тепла на горячее водоснабжение и отопление, а также отношения этих значений тепла к их сумме

Параметр	Месяц
	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
,	277	250	277	268	277	268	277	277	268	277	268	277
,	2943	2357	1748	993	260	0	0	0	118	969	2167	2686
	0,09	0,10	0,14	0,21	0,52	1,00	1,00	1,00	0,69	0,22	0,11	0,09
	0,91	0,90	0,86	0,79	0,48	0	0	0	0,31	0,78	0,89	0,91

А.3.3 Определение данных, относящихся к системе

Большинство данных, относящихся к системе и необходимых для определения значений X, Y и , имеются в распоряжении. Следует рассчитать поправочный коэффициент на вместимость бака-аккумулятора: . Если КПД контура коллектора неизвестен, то его значение берут из Б.2 (приложение Б). Неизвестный общий коэффициент тепловых потерь труб контура коллектора также берут из Б.2 (приложение Б). Затем можно рассчитать значение :

.

В таблице А.9 перечислены все характеристики, необходимые для расчета производительности системы солнечного теплоснабжения.

Таблица А.9 - Характеристики компонентов системы солнечного теплоснабжения для расчета ее производительности

Солнечный коллектор		Контур коллектора		Бак-аккумулятор
А	8,4		0,9		600 л
	0,8026		20 Вт		1,012
IAM	0,94	-	-	-	-
	5,358	-	-	-	-

А.3.4 Определение X, Y и производительности системы солнечного теплоснабжения

Значения X, Y и рассчитывают дважды, т.е. один раз - для определения производительности системы солнечного теплоснабжения для нужд горячего водоснабжения, а другой раз - для определения производительности солнечной системы для нужд отопления. Значения и соответственно определяют для каждого месяца, используя среднемесячные значения расхода тепла из таблицы А.8 и характеристики системы, перечисленные в таблице А.9. Апертурную площадь коллектора умножают на значения или соответственно из таблицы А.8. В таблице А.10 представлены расчеты для горячего водоснабжения, а в таблице А.11 - для отопления. За период июнь - август расчетная производительность системы солнечного теплоснабжения для нужд горячего водоснабжения выше потребности. Поэтому производительность была доведена до максимальных значений потребности. Годовая производительность системы для нужд горячего водоснабжения составляет 1581 , а годовая производительность системы для нужд отопления - 1534 . В сумме производительность системы солнечного теплоснабжения составляет 3215 /год.

Таблица А.10 - Среднемесячные значения значений тепла для горячего водоснабжения X, Y и производительности системы солнечного теплоснабжения для нужд горячего водоснабжения

Месяц	,	X	Y	,
Январь	277	0,91	0,095	10
Февраль	250	1,01	0,154	22
Март	277	1,28	0,295	56
Апрель	268	1,82	0,534	99
Май	277	3,82	1,446	227
Июнь	268	6,71	2,909	268
Июль	277	5,79	3,276	277
Август	277	5,97	3,123	277
Сентябрь	268	4,79	1,819	247
Октябрь	277	1,79	0,412	76
Ноябрь	268	1,05	0,121	15
Декабрь	277	0,95	0,082	6
Год	3263	-	-	1581

Таблица А.11 - Ежемесячные значения тепла для отопления X, Y и производительности солнечной комбинированной системы для нужд отопления

Месяц	,	X	Y	,
Январь	2943	0,95	0,095	104
Февраль	2357	1,06	0,154	204
Март	1748	1,51	0,295	331
Апрель	993	2,34	0,534	338
Май	260	5,68	1,446	190
Июнь	0	0,00	0,000	0
Июль	0	0,00	0,000	0
Август	0	0,00	0,000	0
Сентябрь	118	7,65	1,819	94
Октябрь	969	2,45	0,412	228
Ноябрь	2167	1,21	0,121	98
Декабрь	2686	1,03	0,082	47
За год	14 240	-	-	1634

А.3.5 Определение расхода энергии на собственные нужды

Затрачиваемую энергию на работу насоса в контуре коллектора рассчитывают по формуле (16), где мощность насоса равна 20 Вт, а годовая продолжительность эксплуатации насоса, распределенная по месяцам в соответствии с поступлением солнечного излучения в таблице А.7, - 2000 ч. Значения энергии, расходуемой на собственные нужды, перечислены в таблице А.12. Годовое значение равно 40 .

Таблица А.12 - Среднемесячные значения затрачиваемой энергии на работу насоса в контуре коллектора

Параметр	Месяц												За год
	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
	1,7	2,3	3,4	3,8	4,4	4,4	5,1	4,9	4,0	2,9	1,7	1,4	40

А.3.6 Определение потерь тепла системы солнечного теплоснабжения

Общий коэффициент тепловых потерь не был измерен, поэтому его значение рассчитывают по формуле (Б. 13) приложение Б: . Так как бак-аккумулятор установлен в отапливаемой части здания, то = 20°С. Для отопления помещений заданное значение температуры равно 40°С. Отношение / берут из таблицы A.10, а отношение / - из таблицы А.11. Исходя из этой информации дважды рассчитывают тепловые потери бака-аккумулятора по формуле (17), т.е. сначала - для нужд горячего водоснабжения, а затем - для нужд отопления. Результаты представлены в таблице А.13. Годовые потери тепла бака-аккумулятора составляют 715 + 142 = 857 .

Потери тепла в трубах между баком-аккумулятором и резервным нагревателем можно рассчитать по формуле (Б.14) приложения Б. Результаты расчетов представлены в таблице А.13. Годовые потери тепла в трубах составляют

34 + 33 = 67 .

Таблица А.13 - Месячные значения потерь тепла бака-аккумулятора и в трубах между баком-аккумулятором и резервным нагревателем

Параметр	Месяц												За год
	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
,	4,4	9,4	23,7	41,8	95,5	124	138	135	104	32	6,2	2,6	715
,	2,1	4,6	11,0	19,2	42,5	0	0	0	45,1	13,7	2,6	1,0	142
,	0,2	0,4	1,1	2,0	4,5	5,9	6,5	6,4	4,9	1,5	0,3	0,1	34
,	2,1	4,1	6,6	6,8	3,8	0	0	0	1,9	4,6	2,0	0,9	33

А.3.7 Определение возмещаемых потерь системы солнечного теплоснабжения

Часть энергии на собственные нужды и потери тепла системы солнечного теплоснабжения являются возмещаемыми и могут быть отнесены к отоплению здания в течение отопительного сезона согласно Б.8 приложения Б:

50% расхода энергии на собственные нужды;

100% потерь тепла бака-аккумулятора и в трубах между баком-аккумулятором и резервным нагревателем, поскольку и бак-аккумулятор, и резервный нагреватель расположены в отапливаемой части здания.

Возмещаемые потери представлены в таблице А.14. Годовые возмещаемые потери составляют 522 .

Таблица А.14 - Ежемесячные значения возмещаемых потерь системы солнечного теплоснабжения

Параметр	Месяц												Год
	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
,	0,9	1,1	1,7	1,9	2,2	-	-	-	2,0	1,5	0,8	0,7
,	6,5	14,0	34,7	61,1	138	-	-	-	149	45,6	8,8	3,6
	2,3	4,5	7,7	8,8	8,3	-	-	-	6,8	6,1	2,3	1,1
	9,6	19,6	44,1	71,7	149	-	-	-	158	53,0	11,9	5,3	522

А.3.8 Определение снижения затрачиваемой энергии на работу резервного нагревателя

Вклад солнечной энергии в производство тепла снижает значение энергии, необходимой для работы насоса в резервной части системы. Это снижение соответствует доле тепла, покрываемой системой солнечного теплоснабжения, как определено в формуле (22). Номинальная продолжительность эксплуатации насоса в случае отсутствия системы солнечного теплоснабжения, доля номинальной работы насоса и значение сэкономленной энергии, необходимой для работы насоса резервного нагревателя мощностью 70 Вт, представлены в таблице А.15. Годовая экономия составляет 70,0 - 56,4 = 13,6 .

Таблица А.15 - Месячные значения номинальной продолжительности эксплуатации насоса резервного нагревателя, доля номинальной работы насоса, сберегаемая тепловой солнечной системой, и сэкономленная энергия, необходимая для работы насоса

Параметр	Месяц												За год
	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь
, ч	184	149	116	72	31	15	16	16	22	71	139	169	1000
,	0,05	0,10	0,20	0,35	0,79	1,00	1,00	1,00	0,91	0,26	0,06	0,03	-
,	12,3	9,4	6,5	3,3	0,5	-	-	-	0,1	3,7	9,1	11,5	56,4