Расчет солнечных коллекторов: Упрощённый тепловой расчет солнечного коллектора

Содержание

Расчет солнечного коллектора для отопления дома и ГВС


Использование гелиоколлекторов для системы теплоснабжения – способ существенно сэкономить на отоплении дома. Солнечное излучение бесплатно и доступно всем, а стоимость гелиосистем постоянно снижается. Правильный расчет солнечного коллектора для отопления дома позволит избежать лишних затрат на оборудование и организовать эффективную систему обогрева здания.

Большинство производителей, поставщиков и установщиков делают лишь приблизительный расчет солнечных коллекторов, но мы опишем все детально. В статье мы пошагово расскажем, как выполнить расчет гелиосистем для отопления, чтобы полностью обеспечить дом теплом зимой. Пусть вас не пугает количество формул – для подсчета потребуется обычный калькулятор. Ваши вопросы и мнение вы можете оставить в комментариях.

Расчет реальной мощности солнечного коллектора

Производители указывают максимальную мощность гелиоколлектора при полном освещении при направлении на юг и ориентации перпендикулярно солнцу в полдень.

Но не всегда можно так направить панели, особенно если их устанавливать крыше дома.

Ниже приводим формулы, которые универсальны и могут использоваться как для подсчета количества коллекторов, так для подсчета общей площади в квадратных метрах.

Подсчет эффективности гелиоколлектора по направлению

Рассчитать базовую тепловую производительность солнечного плоского или вакуумного коллектора можно по следующей формуле:

Pv = sin A x Pmax x S

Значения:

  • Pv – мощность солнечного коллектора;
  • A – угол отклонения плоскости гелиоколлектора от направления на юг;
  • Pmax – средний уровень инсоляции в вашем регионе в холодное время года.

Даже если солнце не скрыто облаками, в течении дня уровень инсоляции меняется, от чего зависит производительность коллектора. Усредненные данные видно на этом графике:

Данные на иллюстрации по дневному уровню инсоляции усредненные, но позволяют понять разницу между количеством тепловой энергии, которую можно получить в разное время года.

Максимальный уровень инсоляции зимой в среднем в 3-4 раза меньше, чем летом. Количество солнечной энергии, которую может получить гелиоколлектор за сутки зимой в 5-7 раз ниже (в зависимости от широты) чем летом.

Расчет производительности гелиоколлектора по углу установки

Оптимальный угол установки солнечного коллектора для отопления дома зимой – так, чтобы он был перпендикулярен солнечным лучам в 10 часов утра. Так он может собрать максимум тепловой энергии на протяжении светового дня.

Иногда не получается этого сделать (при установке на крыше, монтаже на стандартных опорах). Из-за отклонения от оптимального угла энергоэффективность коллектора может измениться. Рассчитать ее можно по такой формуле:

Pm = sin(180 — A — B) x Pv

Значения:

  • Pm – производительность гелиоколлектора;
  • A – угол между коллектором и плоскостью земли;
  • B – высота солнца над горизонтом в 10 часов утра;
  • Pv – найденная ранее мощность.

Если у вас есть возможность ориентировать солнечный коллектор так, чтобы он был перпендикулярен солнцу, тогда:

Pm = Pv

На фотографии обозначен угол наклона солнечного коллектора, который нужно использовать при вычислениях.

Особенности плоских панелей

Плоский гелиоколлектор имеет небольшие теплопотери через заднюю стенку, которые составляют в среднем 5 Вт на квадратный метр. Поэтому от полученного ранее значения реальной мощности P надо отнять 5 Вт на каждый квадратный метр площади.

Уровень поглощения солнечного излучения плоского гелиоколлектора ниже 100%. Это нужно учесть при подсчете его тепловой мощности. Если панель поглощает только 95%, то ее реальная мощность:

P = Pm x 0.95 х S

Значения:

  • Pm – мощность коллектора из формулы выше;
  • P – реальная производительность коллектора;
  • S – площадь коллектора.

Производительность вакуумного коллектора

Производители вакуумных коллекторов могут указывать мощность коллектора без учета расстояния между трубками. Чтобы определить, какова реальна площадь поверхности трубок и производительность вакуумного коллектора, воспользуемся формулой:

P = Pm x D / L

Обозначения:

  • P – реальная производительность солнечного коллектора;
  • Pm – мощность коллектора, рассчитанная ранее;
  • D – диаметр вакуумных трубок;
  • L – расстояние между трубками.

Термодинамические солнечные панели

С таким типом коллекторов все гораздо сложнее. Сейчас они не слишком распространены, производители экспериментируют с материалами и селективным покрытием. Разные модели отличаются уровнем поглощения и теплопотерями.

В целом, термодинамические солнечные панели имеют право на жизнь. Но мы бы не рекомендовали обустраивать отопление с их помощью. На рынке мало эффективных моделей, а те, которые есть, продают по завышенным ценам.

Сколько нужно солнечных коллекторов для отопления дома?

Независимо от того, какая система отопления установлена в доме, теплопотери у него будут одинаковыми.

Для точного просчета лучше обратиться к специалистам, но для получения примерных данных можно использовать онлайн-сервисы http://teplo-info.com/otoplenie/raschet_teplopoter_online.

Разделив полученные данные на значение P, вычисленное по последней формуле, вы узнаете, сколько гелиоколлекторов или квадратных метров коллекторов вам необходимо чтобы обеспечить отопление дома зимой.

Отдельно стоит напомнить, что в холодное время года есть нюансы с эксплуатацией гелиоколлекторов. Узнать об этом больше можно в статье «Как работает солнечный коллектор зимой – эффективность, проблемы и их решение».

Основная проблема змой — чистить коллекторы от холода.

Подключим горячее водоснабжение?

В дополнение к отоплению, к коллекторной солнечной системе можно подключить горячее водоснабжение. Для этого подсчитаем, сколько тепловой энергии вам необходимо тратить каждый день. Формула расчета солнечного коллектора для ГВС проста:

Pw = 1,163 x V x (T – t) / 24

Обозначения:

  • Pw – количество тепла, необходимое для подогрева воды;
  • V – средний объем горячей воды, расходуемый за сутки;
  • T – температура, до которой нужно подогреть воду;
  • t – температура, с которой вода поступает в систему.

Чтобы рассчитать необходимое количество дополнительных коллекторов для ГВС – разделите это значение на производительность солнечного коллектора P, полученное по последней формуле.

Советы по отоплению дома гелиоколлекторами

  • Плоские солнечные коллекторы эффективнее в теплое время года, а вакуумные трубки – зимой. В зависимости от модели и производителя разница может достигать 50%. Подробнее об этом вы можете прочитать в статье «Солнечный коллектор – плоский или вакуумный?».
  • На случай непредвиденной ситуации стоит иметь альтернативные источники тепловой энергии – конвекторы, газовый или твердотопливный котел, тепловой насос.
  • Обычно коллекторы поставляются вместе с отдельными баками-накопителями. Выгоднее будет приобрести отдельно плоские или вакуумные панели и один или два больших резервуара с хорошей теплоизоляцией. Чем меньше объем бака, тем быстрее он остывает.
  • Для организации эффективного отопления стоит иметь большой бак накопитель, в котором в светлое время суток коллекторы будут нагревать воду, а ночью она будет расходоваться на обогрев здания.
  • Наличие качественного контроллера в системе отопления позволит поддерживать заданную температуру, регулировать циркуляцию, устанавливать температурные режимы, задавать таймер включения.
  • Для автономного отопления дома солнечными коллекторами необходимо купить большое количество оборудования, оплатить его монтаж и подключение. Если вам это не по карману – можно использовать гелиоколлекторы как вспомогательную систему отопления.
  • Хорошей экономии можно достичь если использовать солнечные коллекторы в паре с тепловым насосом. Они будут нагревать воду, а тепловой насос – подогревать ее до необходимой температуры.
  • Если здание плохо утеплено, то использовать солнечные коллекторы эффективнее с водяным теплым полом. Он отдает максимум тепла в помещение, а не стенам, как радиаторы отопления.

Как видим, расчет солнечных коллекторов для отопления дома довольно прост. Конечно, специалист должен будет посчитать множество других нюансов, но они не смогут существенно повлиять на конечный результат.

В некоторых случаях обогрев здания коллекторами нецелесообразен, но в качестве дополнительного источника бесплатного тепла, гелиоколлекторы незаменимы.

Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!

Подбор и расчет вакуумных солнечных коллекторов

Расчет солнечных коллекторов гелиосистемы нужно выполнять в каждом конкретном случае отдельно, поскольку потребление горячей воды и нужды на отопление зданий зависят от множества всевозможных факторов.

Самым простым и от этого не менее эффективным способом расчета ориентировочного количества энергии, получаемой от солнечного коллектора в определенно взятом регионе, является метод, основанный на использовании данных об среднегодовой солнечной активности в этой местности и площади поглощения устройства.

Для оценки полноты обеспечения тепловой энергией солнечным коллектором воспользуемся статистическими данными.

Так, в среднем одно домохозяйство требует 2-4 кВт энергии для нагрева горячей воды в день на человека.

Объемы вырабатываемой энергии солнечным коллектором напрямую зависят от нескольких параметров, среди них:

  • уровень солнечной инсоляции в регионе эксплуатации устройства;
  • площадь поглощения прибора;
  • КПД коллектора;
  • угол наклона панелей к солнечному излучению.
  • Величину солнечной инсоляции для поверхности площадью 1 м² для разных регионов Украины можно найти в статистической отчетности по активности солнечного излучения в данном определенном регионе или в строительных данных по теплотехнике.

    Площадь коллектора можно узнать из паспортной документации солнечных гелиосистем.

    Величину КПД берем из диапазона 80 — 85% (паспортные данные).

    Принимаем оптимальный угол наклона апертурной поверхности относительно солнца для своей местности (согласно географической широте располагаемого объекта).

    В случае если найти точную информацию о солнечной активности в вашем районе не удается, можно воспользоваться данными средней инсоляции по регионам Украины с 1 м² на горизонтальной площадке.

    Еще один вариант – это воспользоваться эмпирической формулой: количество энергии на горизонтальной площадке умножить на 1,2.

    Методика расчета

    1. В технической документации к солнечным коллекторам производители указывают значение именно поглощающей площади.

    2. Исходя из паспортных данных поглощающей площади, указываемой для всего вакуумного коллектора Apricus (состоящего из 30 трубок) можно определить поглощающую площадь одной стеклянной трубки: 2,83 / 30 = 0,09 м².

    3. Теперь можно найти необходимое количество трубок, образующих 1 м² площади коллектора.

    Определение данного значения необходим по той причине, что повсюду величина солнечной энергии приводится именно из расчета на 1 м².

    Получаем: 1м² / 0,16 м² = 11,11.

    Другими словами 1 м² = 11 вакуумным трубкам коллектора.

    4. Чтобы определить, сколько трубок должен содержать солнечный коллектор для выработки необходимого количества тепловой мощности, необходимо знать величину тепловой мощности 1 трубки.

    Ее находим по формуле:

    Мощность 1 трубки (годовая) = Площадь поглощения 1 трубки х инсоляцию 1 м² для данного региона (годовую) х КПД коллектора.

    Из таблицы берем значения среднемесячной (берем 30 дней в месяце) инсоляции для Харькова. Месяц Январь,  Февраль,  Март,  Апрель, Май,  Июнь,  Июль,  Август, Сентябрь, Октябрь, Ноябрь, Декабрь:  32,1 56,1 88,5 118,8 157,5 156,6 157,5 140,1 93,6 58,2 30,6 25,8

    Тогда годовая инсоляция 1 м² для Харькова составит: 1115,4 кВт*час/м².

    Итого: Годовая мощность 1 трубки = 0,09 х 1115,4 х 0,8 = 80,3 кВт.

    5. Тепловая энергия, вырабатываемая 1м² солнечного коллектора в год, составит: 80,3 х 11 = 883 кВт.

    6. Рассматриваемый коллектор поглощающей площадью 2,83 м² вырабатывает: 883 х 2,83 = 2498,89 кВт = 2,5 МВт.

    Теперь вернемся к началу статьи, где говорилось о том, что в домохозяйстве на 1 человека тратится 2-4 кВт энергии для нагрева воды.

    Таким образом, при круглогодичном использовании в Харькове солнечного коллектора, состоящего из 30 стеклянных трубок площадью 2,83 м² и КПД = 0,8, в среднем в день можно получить: 2498,89 кВт / 365 = 6,8 кВт. Этой энергии достаточно для нужд семьи из 2-3 человек. Опять же все это приблизительные расчеты, полученные на основе усредненных данных.

    На практике вырабатываемой энергии может быть меньше, например, в пасмурный день, поэтому площадь коллекторов необходимо выбирать с запасом в 20%.

    Для правильной установки коллекторов гелиосистемы необходим выезд сертифицированного специалиста на объект установки гелио коллекторов.

    Из основных требований по установке необходимо обратить внимание на расположение относительно сторон света.

    Требования по установке коллекторов

  • Коллектор должен быть обращён лицевой стороной на экватор.
  • Гелиоколлектора будут работать, даже если ориентировать его на Восток или Запад, но это приведёт к уменьшению продуктивности, в зависимости от места и конфигурации системы.

  • Так же не маловажное значение имеет угол наклона установки.

    Для оптимальной годовой производительности, угол установки коллектора должен быть равен широте места установки. Отклонение +/- 10 градусов является приемлемым и сильно не влияет на производительность гелиосистемы.

    Если есть вероятность того, что летом производительность будет сильно превышать потребность в тепле, установите коллектор под углом на 15-20 градусов больше чем широта места установки. Это поможет уменьшить летнюю производительность и увеличить зимнюю.

    Например, при широте в 30 градусов, угол установки должен быть 45-50 градусов.

  • Коллектор не может быть установлен в перевернутом виде или с горизонтальным расположением труб, так как в этом случае он не будет функционировать.
  • Хотим обратить внимание на предотвращение затенения гелиоколлекторов. Коллекторы должны быть расположены таким образом, чтобы избежать затенения, по крайней мере, с 9 часов утра до 15 часов дня по местному времени. Частичное затенение из-за небольших объектов, таких как антенны и небольшие дымоходы, не вызывает серьезного уменьшения производительности.
  • Если соблюдать правильный подбор и расположение гелиосистемы, то Вашем доме всегда будет комфортно и уютно.

    Расчет коллекоров. Солнечные панели для нагрева воды.

    Дата добавления: 11.05.2016

    На сегодняшний день в Украине солнечные коллекторы преимущественно используются для нагрева воды. Реже для подогрева бессейнов или еще меньше для поддержки отопления (далеко не во всех существующих системах это возможно). Сейчас же для нашего примерного рассчета зададимся исходными данными для случая, когда необходимо приготовить горячую воду для собственного потребления.

    Исходные данные:

    Количество проживающих в доме (n)4 человека
    Суточная потребность в воде (V1)50 л/чел/сутки
    Желаемая температура горячей воды (tг)55 °С
    Температура холодной воды с водопровода (tх)10 °С
    Место нахождения домаг. Киев
    Ориентация крышиЮг, с азимутом 0°, угол наклона 35°

     

    Рассмотрим  методику подбора и расчета гелиосистемы для ГВС:

    1. Для начала, необходимо определится с необходимым количеством горячей воды:

    V = V1 × n

    V = 50л/сутки × 4 = 200 л/cутки  (0,2 м3/cутки).

     

    2. Исходя из расхода 200 л/сутки подберем бойлер косвенного нагрева подходящего объема. Как мы знаем вода нагревается солнцем на протяжении всего дня, поэтому чтобы перестраховаться в случае длительного пасмурного периода или большого разбора воды объем бойлера выбирается с запасом от 20 до 80%:

    — от 1,2V до 1,8V

    В нашем случае объем бойлера:

    — от 240 до 360 л.

    Выбираем с полученного диапазона бойлер объемом 300 л (0,3 м3). Руководствуемся наличием моделей и доступными ресурсами. В данном случае бойлер объемом 300 л — один из самых часто-используемых вариантов.

    Температуру в бойлере лучше выбрать выше температуры потребляемой воды. Во-первых, это даст возможность аккумулировать больше тепла и полностью использовать потенциал гелиосистемы, а во вторых температура выше 60°С предотвращает образованию вредных для здоровья бактерий – легионеллы.

    Настраиваем бойлер на температуру tб = 60 °С.

     

    3. Рассчитываем необходимое количество тепла, которое нужно затратить для нагрева воды в бойлере:

             Q = G ×Сp × (tб – tх)

    Q – необходимое количество тепла для нагрева бойлера, кВт*ч

    G – Расход горячей воды. Принимается равным объему бойлера Vб = 0,3 м3/cутки

    Сp – удельная теплоемкость воды, Ср = 1,161 кВт/кг×°С

    Q = 0,3 × 1,161 × (60 – 10) = 17,4 кВт×ч/сутки.

     

    4. Теперь выбираем солнечный коллектор и просчитываем его площадь, для обеспечения необходимого количества тепла.

    Просчитаем необходимое количество коллекторов Buderus SKN 4.0 (характеристики коллектора берем из паспорта):

    • Площадь абсорбера одного коллектора F1 = 2,18 м2
    • Оптический КПД коллектора η = 0,77

     

    Средний месячный уровень солнечной радиации (солнечная постоянная) в городах Украины (кВч/m2/день)

    Средний показатель за последние 22 года (По данным NASA)

    Регионы / Месяцы

    янв

    фев

    март

    апр

    май

    июнь

    июль

    авг

    сент

    окт

    ноя

    дек

    Средний

      Симферополь

    1,27

    2,06

    3,05

    4,30

    5,44

    5,84

    6,20

    5,34

    4,07

    2,67

    1,55

    1,07

    3,58

      Винница

    1,07

    1,89

    2,94

    3,92

    5,19

    5,3

    5,16

    4,68

    3,21

    1,97

    1,10

    0,9

    3,11

      Луцк

    1,02

    1,77

    2,83

    3,91

    5,05

    5,08

    4,94

    4,55

    3,01

    1,83

    1,05

    0,79

    2,99

      Днепропетровск

    1,21

    1,99

    2,98

    4,05

    5,55

    5,57

    5,70

    5,08

    3,66

    2,27

    1,20

    0,96

    3,36

      Донецк

    1,21

    1,99

    2,94

    4,04

    5,48

    5,55

    5,66

    5,09

    3,67

    2,24

    1,23

    0,96

    3,34

      Житомир

    1,01

    1,82

    2,87

    3,88

    5,16

    5,19

    5,04

    4,66

    3,06

    1,87

    1,04

    0,83

    3,04

      Ужгород

    1,13

    1,91

    3,01

    4,03

    5,01

    5,31

    5,25

    4,82

    3,33

    2,02

    1,19

    0,88

    3,16

      Запорожье

    1,21

    2,00

    2,91

    4,20

    5,62

    5,72

    5,88

    5,18

    3,87

    2,44

    1,25

    0,95

    3,44

      Ивано-Франковск

    1,19

    1,93

    2,84

    3,68

    4,54

    4,75

    4,76

    4,40

    3,06

    2,00

    1,20

    0,94

    2,94

      Киев

    1,07

    1,87

    2,95

    3,96

    5,25

    5,22

    5,25

    4,67

    3,12

    1,94

    1,02

    0,86

    3,10

      Кировоград

    1,20

    1,95

    2,96

    4,07

    5,47

    5,49

    5,57

    4,92

    3,57

    2,24

    1,14

    0,96

    3,30

      Луганск

    1,23

    2,06

    3,05

    4,05

    5,46

    5,57

    5,65

    4,99

    3,62

    2,23

    1,26

    0,93

    3,34

      Львов

    1,08

    1,83

    2,82

    3,78

    4,67

    4,83

    4,83

    4,45

    3,00

    1,85

    1,06

    0,83

    2,92

      Николаев

    1,25

    2,10

    3,07

    4,38

    5,65

    5,85

    6,03

    5,34

    3,93

    2,52

    1,36

    1,04

    3,55

      Одесса

    1,25

    2,11

    3,08

    4,38

    5,65

    5,85

    6,04

    5,33

    3,93

    2,52

    1,36

    1,04

    3,55

      Полтава

    1,18

    1,96

    3,05

    4,00

    5,40

    5,44

    5,51

    4,87

    3,42

    2,11

    1,15

    0,91

    3,25

      Ровно

    1,01

    1,81

    2,83

    3,87

    5,08

    5,17

    4,98

    4,58

    3,02

    1,87

    1,04

    0,81

    3,01

      Сумы

    1,13

    1,93

    3,05

    3,98

    5,27

    5,32

    5,38

    4,67

    3,19

    1,98

    1,10

    0,86

    3,16

      Тернополь

    1,09

    1,86

    2,85

    3,85

    4,84

    5,00

    4,93

    4,51

    3,08

    1,91

    1,09

    0,85

    2,99

      Харьков

    1,19

    2,02

    3,05

    3,92

    5,38

    5,46

    5,56

    4,88

    3,49

    2,10

    1,19

    0,9

    3,26

      Херсон

    1,30

    2,13

    3,08

    4,36

    5,68

    5,76

    6,00

    5,29

    4,00

    2,57

    1,36

    1,04

    3,55

      Хмельницкий

    1,09

    1,86

    2,87

    3,85

    5,08

    5,21

    5,04

    4,58

    3,14

    1,98

    1,10

    0,87

    3,06

      Черкассы

    1,15

    1,91

    2,94

    3,99

    5,44

    5,46

    5,54

    4,87

    3,40

    2,13

    1,09

    0,91

    3,24

      Чернигов

    0,99

    1,80

    2,92

    3,96

    5,17

    5,19

    5,12

    4,54

    3,00

    1,86

    0,98

    0,75

    3,03

      Черновцы

    1,19

    1,93

    2,84

    3,68

    4,54

    4,75

    4,76

    4,40

    3,06

    2,00

    1,20

    0,94

    2,94

    Количество тепла Q вырабатываемое системой определяется по формуле:

    Q = q × Fсум × η  где

    — средний месячный уровень радиации, кВт×ч/м2/день (с таблицы)

    Fсум – суммарная площадь гелиополя, м2

    η — оптический КПД коллектора

    Для предотвращения перегрева, систему необходимо рассчитывать на летний пик, то есть брать максимальное значение месячного уровня радиации за год. В данном случае у нас это МАЙ и ИЮЛЬ со значением 5,25.

     

    5. Найдем необходимую площадь гелиополя:

    Fсум = Q / (q × η)

    Fсум = 17,4 / (5,25 × 0,77) = 4,3 м2.

     

    6. Необходимое количество солнечных коллекторов:

    n = Fсум / F1

    n= 4,3 / 2,18 = 1,97 » 2 шт.

    Таким образом мы подсчитали, что для семьи из 4 человек проживающих в Киеве, основными компонентами гелиосистемы будут бак аккумулятор на 300л и 2 солнечных коллектора SKN 4.0. Таким способом можно просчитать необходимое количество коллекторов для любой системы – будь то подогрев басейна, поддержка отопления или же приготовление горячей воды. Нужно только знать необходимое количество тепла и характеристики коллектора. 

    Нужны солнечные панели для нагрева воды? Обращайтесь.


    Бесплатная консультация Пожалуйста, включите Javascript для просмотра комментариев.

    Быстрый расчет гелиосистем | Atmosfera™. Альтернативные источники энергии. Солнце. Ветер. Вода. Земля.


    Самый простой путь получить качественный и профессиональный расчет солнечной системы(гелиосистемы) это заполнение небольшой анкеты перейдя по адресу https://www.atmosfera.ua/ru/geliosistemy/zayavka-na-raschet-geliosistemy/. В течении 24 часов вы получите полный расчет, рекомендации и коммерческое предложение на гелиосистему.Вы так же можете самостоятельно выполнить расчет своей системы воспользовавшись калькуляторами и алгоритмами предложенными ниже по тексту.



    По предложенной ниже схеме вы сможете легко рассчитать примерную комплектацию оборудования для ваших нужд.

    Для расчета вам необходимо пройти несколько шагов.

    1. Определиться с количеством потребителей горячей воды
    2. Определить примерное количеством воды потребляемой каждым членом вашей семьи в сутки
    3. После этих двух шагов вы получите рекомендованный объем накопительного бака
    4. Выберите желаемую степень замещения ваших потребностей в тепле энергией солнца
    5. Выберите южный или северный регион Украины где планируется размещение системы
    6. Выберите планируемую ориентацию устанавливаемых коллекторов
    7. Выберите угол наклона устанавливаемых коллекторов
    8. После выполнения последнего шага вы получите примерное необходимое количество коллекторов

    После выполнения вышеуказанных шагов вы получили необходимую емкость бака-накопителя и примерное количество коллекторов. Далее вам необходимо решить будете ли вы использовать солнечную энергию как дополнительный источник тепла в системе отопления. От вашего решения зависит выбор бака-накопителя с одним или двумя теплообменниками. Для отбора тепла в основную систему отопления вам будет бак с двумя теплообменниками. С помощью одного тепло будет передаваться в бак с водой, с помощью второго(верхнего) вы будете иметь возможность передавать излишки тепла в основную систему отопления. Далее к получившемуся комплекту вам необходимо добавить рабочую станцию с контроллером, датчиками температуры и другой автоматикой. Таким образом имея комплект оборудования состоящий из бака-накопителя, необходимого количества вакуумных солнечных коллекторов и рабочей станции с контроллером вы сможете рассчитать стоимость вашей системы. Для «грубого расчета» к стоимости оборудования обычно добавляется 30% на работы по монтажу и дополнительные трубы, фитинги, изоляцию и т.д. и вы получаете полную стоимость вашего проекта.

    Остается только рассчитать сроки окупаемости системы. Расчеты затрат на горячее водоснабжение и отопление при использовании разных источников энергии приведены на странице «Сроки окупаемости». Учтите что в указанной таблице приведены данные за 2007 год, на сегодня некоторые энергоносители уже существенно подорожали.

    Для более точного расчета, создания проекта и проведения других, более сложных проектных работ просим вас заполнить анкету заказа расчета гелиосистем https://www.atmosfera.ua/ru/geliosistemy/zayavka-na-raschet-geliosistemy/. Для точных расчетов возможно будет необходим выезд нашего специалиста на объект или предоставление с вашей стороны дополнительных планов или фотографий объекта.

    Солнечный коллектор. Расчет окупаемости.

    Современное развитое общество трудно представить без использования альтернативных источников энергии. Япония, Австралия, США, Греция и другие, экономически развитые страны уже давно активно используют солнечную энергию при конструировании комбинированных котельных установок, а также для нагрева воды. На сегодняшний день использование в Европе солнечных коллекторов – это уже не призрачная перспектива, а реальное настоящее. Учитывая, нестабильность макроэкономической среды, стоимость традиционных видов топлива и электроэнергии будет возрастать. Следовательно, установка гелиосистемы — это надежные инвестиции в будущее.

    Популярным заблуждением является мнение о том, что солнечные водонагреватели реально использовать лишь в теплое время года, ведь достижения научно-технического прогресса позволяют использовать энергию Солнца даже зимой.

    Как показывает практика, благоприятные климатические условия в сфере использования альтернативных источников энергии играют менее важную роль, чем социально-экономические. Ярким тому примером можно назвать Кипр, где площадь установленных гелиосистем на душу населения является одной из наибольших в Европе. Данный успех объясняется принятым в государстве благоприятным законодательством. Грамотная законодательная база в поддержку широкого использования солнечной энергии существует также и в Израиле. Практически во всех новых домах Израиля и Кипра установлены солнечные водонагреватели.

    Солнечный коллектор или гелиосистема представляет собой конструкцию для сбора энергии Солнца, переносимой видимыми лучами света и ближним инфракрасным излучением. И даже в пасмурную погоду солнечный коллектор будет функционировать, так как поглощает солнечную энергию через облака, однако, при необходимости, система способна автоматически переключится на традиционные источники энергии.

    Существуют солнечные коллекторы разных конструкций, в зависимости от сферы их применения. Сегодня рынок предлагает множество моделей коллекторов. Условно существует несколько классификаций. Например, в зависимости от температуры, которую дают коллекторы, различают следующие их виды:

    — низкотемпературные — вырабатывают низкопотенциальное тепло, ниже 50 градусов Цельсия, применяются в основном для подогрева воды в бассейнах;

    — среднетемпературные коллекторы, производящие высоко- и среднепотенциальное тепло (60-80 С), используются для нагревания воды в жилых массивах;

    — высокотемпературные коллекторы — параболические тарелки, используемые в основном электрогенерирующими предприятиями, производящими электричество для электросетей.

    Наиболее распространенными типами солнечных коллекторов можно назвать вакуумные и плоскопанельные.

    Особенностью вакуумных коллекторов является использование вакуума в качестве достаточно эффективного теплоизолятора. Вакуум поддерживается между внешним стеклянным покрытием и теплопоглощающим слоем. Это минимизирует потери тепла и снижает зависимость КПД гелиосистемы от разности между температурой коллектора и температурой окружающей среды.

    Конструктивно вакуумные коллекторы могут быть:

    — трубчатыми, которые состоят из герметичных труб;

    — плоскими, вакуум в которых поддерживается при помощи насосов.

    Трубчатые вакуумные коллекторы являются более распространенными. Для них характерен так называемый «зеркальный эффект», т.е. минимизация зависимости теплоотдачи коллектора от высоты, на которой находится Солнце. Это содействует выравниванию тепловой мощности трубчатого коллектора на протяжении всего года. Возможно повышение температур теплоносителя до 250—300 °C при условии ограничения разбора тепла.

    Вакуумные солнечные коллекторы являются довольно интересным высокотехнологичным видом гелиосистем в техническом отношении.

    Плоскопанельные солнечные коллекторы — более распространенный вид коллекторов. Следует отметить, что пройдя ряд научно-технических усовершенствований, коллекторы данного типа, вероятно, практически достигли максимальных показателей в плане эффективности, срока эксплуатации и стоимости.

    В основе работы плоских солнечных коллекторов лежит парниковый эффект: солнечный свет, попадающий на поверхность панельного коллектора, полностью пропускается стеклом. В качестве верхнего прозрачного слоя используется обычное или закаленное стекло, также может использоваться поликарбонат, ударопрочное стекло, стекло с низким содержание железа. Передачу теплоты к теплоносителю осуществляют алюминиевые или медные элементы. Отвод теплоты осуществляется с помощью воды или раствора незамерзающей жидкости.

    Плоский солнечный коллектор — достаточно простое устройство. Покрытие, являющееся наиболее высокотехнологичным элементом во всей конструкции, должно поглощать большую часть энергии солнечных лучей, излучая при нагреве в инфракрасном спектре минимально возможную часть поглощенной энергии. При отсутствии разбора тепла плоские коллекторы нагревают воду до 190 °C.

    В настоящий момент, наиболее перспективными для России являются плоскопанельные солнечные коллекторы горячего водоснабжения, т.к. имеют четыре неоспоримых преимущества: всесезонность, простоту, надежность конструкции при относительно невысокой цене и, несомненно, срок службы — 50 лет в сравнении с 20-30 годами работы вакуумных. Необходимо также акцентировать внимание на том факте, что срок окупаемости вложенных в гелиосистему средств, зависит от цен на ископаемые энергоносители. В европейских странах обычно срок окупаемости составляет менее 10 лет, в США – 4. И, конечно же, основное преимущество использования солнечной энергии — экологическая чистота и неограниченность

    Мощность солнечного коллектора | SolarSoul.net ☀️

    Об эффективности солнечного коллектора мы уже имеем представление и теперь можем поговорить о том, какую мощность имеет солнечный коллектор.

    Мощность солнечного коллектора

    Пиковая мощность коллектора определяется произведением максимального значения солнечного излучения на единицу площади поверхности и оптического коэффициента полезного действия коллектора:

    Q= η₀E

    Напомню, что это при условии, что температура наружного воздуха такая же, как в самом коллекторе, т. е. без учёта тепловых потерь. Обычно, для плоского коллектора значение оптического КПД равно около 80%. Из этого следует, что максимальная мощность одного метра квадратного солнечного коллектора – 800 Вт. Это значение достигается крайне редко, и как только температура воздуха и снижается относительно температуры в солнечном коллекторе, возникают тепловые потери, которые снижают фактическую мощность. Все это легко увидеть исходя из формулы КПД солнечного коллектора:

    Для примера рассчитаем мощность солнечного коллектора при разнице температур 45 °С между температурой воздуха и температурой в солнечном коллекторе, т.е. при уличной температуре +20 °С и рабочей температуре в коллекторе +65 °С.  Мощность солнечного излучения – 1000 Вт/м². КПД будет равно:

    η= 0,79 – 3,66 * 45 / 1000- 0,0099 * 2025 / 1000 = 0,6

    От сюда следует, что значение мощности для одного квадратного метра площади коллектора (для примера были взяты паспортные данные солнечного коллектора Biotech Energietechnik GmbH BSK240 производства Германии) будет равно произведению КПД на мощность солнечного излучения: Q= ηE и равно 600 Вт. Мощность постоянно меняется в течение всего дня и зависит от количества солнечной энергии попадающей на плоскость коллектора и разницы температуры между окружающим воздухом и коллектором, Мощность одного квадратного метра гелиоколлектора называют удельной мощностью солнечного коллектора оно измеряется в Вт/м².

    Обычно для укрупнённых расчетов значение удельной мощности принимают в пределах от 500 до 600 Вт/м².

    Расчет экономической эффективности системы горячего водоснабжения с использованием плоского солнечного коллектора

    Библиографическое описание:

    Аллаёрова, Г. Х. Расчет экономической эффективности системы горячего водоснабжения с использованием плоского солнечного коллектора / Г. Х. Аллаёрова, Б. М. Тошмаматов, Г. Н. Узаков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 2 (240). — С. 15-16. — URL: https://moluch.ru/archive/240/55286/ (дата обращения: 06.06.2021).

    

    В статье показан расчет систем горячего водоснабжения с использованием солнечной энергии на основе теоретических исследований преимуществ систем горячего водоснабжения.

    Ключевые слова: анализ, теплоснабжение, горячее водоснабжение, солнечная радиация, солнечная энергия, солнечный коллектор.

    Во многих районах республики Узбекистан с большим числом солнечных дней и жарким климатом использование солнечной энергии для нагрева воды оправдано.

    Общая продолжительность возможного солнечного сияния на равнинах Узбекистана составляет 4455–4475 часов в год. Фактически годовое число солнечного сияния здесь достигает 3000–3100 часов, что составляет 65–70% от возможного. Зимой над территорией Узбекистана формируются воздушные фронты умеренных широт, в результате чего умеренные воздушные массы сталкиваются с тропическими массами, образуются циклоны, а затем выпадают осадки. В связи с этим, представляет интерес реализация горячего водоснабжения потребителей на основе солнечных коллекторов.

    В настоящее время несколько миллионов жилых домов и предприятий уже используют солнечные системы нагрева воды. Это достаточно экономичный и надежный вид горячего водоснабжения [1]. Горячее водоснабжение — наиболее распространенный вид прямого применения солнечной энергии. Типичная установка состоит из одного или более коллекторов, в которых жидкость нагревается на солнце, а также бака для хранения горячей воды, нагретой посредством жидкости-теплоносителя. КПД тепловых солнечных систем достигает в настоящее время 50–90%.

    Коллекторы, бак-аккумулятор и соединительные трубопроводы системы заполнены холодной водой. Солнечное излучение, проходя через прозрачное покрытие (остекление) коллектора нагревает его поглощающую панель и воду в её каналах. При нагреве плотность воды уменьшается, и нагретая жидкость начинает перемещаться в верхнюю точку коллектора и далее по трубопроводу — в бак-аккумулятор. В баке нагретая вода перемещается в верхнюю точку, а более холодная вода размещается в нижней части бака, т. е. наблюдается расслоение воды в зависимости от температуры. Более холодная вода из нижней части бака по трубопроводу поступает в нижнюю часть коллектора.

    Расчет экономической эффективности солнечной установки основан на оценке средних значений солнечной радиации в месте установки системы, а также на правильном определении требуемой производительности, схемно-структурного состава установки, и стоимости отдельных элементов [2]. В условиях Узбекистана в качестве индивидуальной установки плоского горячего водоснабжения чаще всего применяется несколько установок. На рис. 1. представлен плоский солнечный коллектор.

    Рис. 1. Экспериментальная установка системы горячего водоснабжения с использованием плоского солнечного коллектора

    Для расчета системы горячего водоснабжения необходимо задать исходные данные, определяющие требования к системе горячего водоснабжения индивидуального жилого дома [3]. Для дома, расположенного в г. Карши, в котором проживает семья из 6-х человек, можно принять следующие исходные данные:

    Количество жильцов 1 дома, 6 чел; Среднее суточное потребление горячей воды, N/сут-50 л/чел; Коэффициент запаса kз-1,5; Температура горячей воды, tгор=60 0С; Средняя температура холодной воды в зимний период, tхол=10 0С; Географическое положение (г. Карши) – географическая широта – 39 0с.ш.; Сезонность работы установки — полдень:

    Нахождение объема теплообменного бака и температурного перепада:

    Объем бойлера определяется по формуле

    V = kз · l · n (1)

    и для 6-ти человек составляет V = 1,5· 6 · 50= 300 л

    Температурный перепад, т. е. разность температур воды на входе и на выходе теплообменного бака находится по формуле

    Δt= tгор — tхол (2)

    и составляет Δt = 60–10 = 50 0С

    Определение количества энергии для нагрева воды: Для нагрева 1 литра воды на 1 градус необходимо затратить энергию, равную 1 Ккал, а для нагрева V литров на Δt градусов нужно затратить

    Q = V · Δt = 300 · 50 = 15000 кВт

    Для перевода килокалорий в киловатт-часы воспользуемся соотношением 1 кВт · ч = 859,8 Ккал, поэтому

    Q= 15000/859,8=17,445 кВт/ч

    Зная количество энергии, нужной для нагрева воды 17,445 кВт/ч в 0,5 суток, найдем годовое потребление 17,445 кВт/ч · 365 дней /0,5 = 12734,85 кВт/ч.

    Исходя из этих данных определим, сколько мы экономим в год

    1 кВт = 250 сум; 12734,85 кВт/ч за год · 250 сум = 3183712,5 сум в год.

    Определим количество условного топлива, нужного для обогрева

    12734,85 кВт/ч за год *0,3445 = 4387,1 тонн условного топлива.

    Предложена упрощенная методика для оценочного расчета экономической эффективности установки горячего водоснабжения. После проведения оценочного расчета экономической эффективности и грубого определения параметров солнечной установки горячего водоснабжения следует провести теплотехнический расчет этой установки и уточнить ее технические параметры.

    Литература:

    1. Бекман У., Клейн С., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения. — М.: Энергоиздат, 1982. — 80 с.
    2. Баскаков А. П., Мунц В. А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебник для вузов.— М.: Издательский Дом «БАС TET», 2013.— 368 с. (Высшее проф. образование: Бакалавриат).
    3. Роза А. Возобновляемые источники энергии. Физико-технические основы: учеб. пособие/пер. с англ. под ред. С. П. Малышенко, О. С. Попеля. — Долгопрудный: Интеллект; М.: Изд. дом МЭИ, 2010. — 704 с.

    Основные термины (генерируются автоматически): горячее водоснабжение, солнечная энергия, холодная вода, горячая вода, кВт, нагрев воды, оценочный расчет, плоский солнечный коллектор, солнечная радиация, солнечная установка.

    Расчет КПД солнечного теплового коллектора

    Это четвертый пост в серии статей, написанных соучредителем Free Hot Water и старшим инженером-механиком Галом Мойалом. Мы будем публиковать эту серию каждую среду, поэтому, пожалуйста, назначьте ей дату. Некоторая информация может быть очень технической, но если у вас есть какие-либо вопросы, свяжитесь с нами. Мы искренне хотим помочь. Если вы хотите получить больше практического опыта, изучите наши сертифицированные учебные курсы Free Hot Water.–Солнечный Фред.

    КПД коллектора

    Теперь, когда мы более знакомы с двумя основными доступными методами сбора тепла, можно спросить, как мы решаем, когда использовать один вместо другого? Ответ — эффективность коллектора.

    Первым шагом в разработке активных систем солнечной тепловой энергии является выбор системы, которая максимизирует извлечение энергии в широком диапазоне рабочих условий.

    Один из методов состоит в том, чтобы вычислить тепловой КПД коллектора, который представляет собой отношение среднего тепловыделения от коллектора к скорости, с которой солнечное излучение попадает на панель.

    Тепловой КПД коллектора рассчитывается по следующей формуле:

    P = [(Ti — Ta) / I]

    P = параметр входной жидкости

    Ti = Температура жидкости на входе в коллектор (ºF)

    Ta = Температура окружающего воздуха вокруг коллектора (ºF)

    I = интенсивность солнечного излучения, падающего на коллектор (БТЕ / час / фут2).

    Чтобы узнать значение фактора I (инсоляция), посмотрите таблицу инсоляции (набор данных НАСА по приземной метеорологии и солнечной энергии)

    Чем больше значение дельты температуры жидкости на входе по сравнению с окружающей средой, тем тяжелее должен «работать» коллектор.”

    (Нажмите, чтобы увеличить)

    Например, плоский коллектор с характеристиками эффективности, указанными выше, в который поступает вода с температурой 55 ° F и температурой окружающей среды 75 ° F с интенсивностью излучения 110 БТЕ / ч / кв.фут (см. Ссылку НАСА выше для ваша соответствующая область) будет вычисляться следующим образом:

    P = [(55–75) / 110] = 0,18

    Если посмотреть на приведенный выше график на 0,18, то будет видно, что плоский коллектор лучше всего подходит для такой среды.

    Технический справочник — EnergyPlus 8.0

    Солнечные коллекторы — это устройства, которые преобразуют солнечную энергию в тепловую за счет повышения температуры циркулирующего теплоносителя. Затем жидкость можно использовать для нагрева воды для бытового горячего водоснабжения или отопления помещений. Плоские солнечные коллекторы, использующие воду в качестве теплоносителя, солнечные коллекторы Integral-Collector Storage, использующие воду, и неглазурованные солнечные коллекторы, использующие воздух, в настоящее время являются единственными типами коллекторов, доступных в EnergyPlus.

    Плоские солнечные коллекторы

    [ССЫЛКА]

    Входной объект SolarCollector: FlatPlate: Water предоставляет модель плоских солнечных коллекторов, которые являются наиболее распространенным типом коллекторов. Стандарты были установлены ASHRAE для тестирования производительности этих коллекторов (ASHRAE 1989; 1991), а Solar Rating and Certification Corporation (SRCC) публикует каталог коммерчески доступных коллекторов в Северной Америке (SRCC 2003).

    Модель EnergyPlus основана на уравнениях, содержащихся в стандартах ASHRAE и Duffie and Beckman (1991).Данная модель применяется к остекленным и неглазурованным плоским коллекторам, а также к рядам трубчатых, т.е. вакуумных трубчатых, коллекторов.

    Расчеты солнечного света и затенения [ССЫЛКА]

    В объекте солнечного коллектора используется стандартная поверхность EnergyPlus, чтобы воспользоваться преимуществами подробных расчетов солнечного излучения и затенения. Солнечное излучение, падающее на поверхность, включает пучковое и диффузное излучение, а также излучение, отраженное от земли и прилегающих поверхностей. Также учитывается затенение коллектора другими поверхностями, например, близлежащими зданиями или деревьями.Точно так же поверхность коллектора может затенять другие поверхности, например, уменьшая падающее излучение на крышу под ней.

    Thermal Performance [ССЫЛКА]

    Тепловой КПД коллектора определяется как отношение полезного притока тепла жидкостью коллектора к общему солнечному излучению, падающему на общую площадь поверхности коллектора.

    где

    q = полезный приток тепла

    A = общая площадь коллектора

    I солнечная = общее падающее солнечное излучение

    Обратите внимание, что КПД определен только для I solar > 0.

    Энергетический баланс солнечного коллектора с двойным остеклением показывает взаимосвязь между свойствами остекления, свойствами поглощающей пластины и условиями окружающей среды.

    где

    g1 = коэффициент пропускания первого слоя остекления

    g2 = коэффициент пропускания второго слоя остекления

    абс = поглощающая способность пластины абсорбера

    R рад = сопротивление излучению от поглотителя до внутреннего остекления

    R conv = конвективное сопротивление от абсорбера до внутреннего остекления

    R cond = сопротивление проводимости от абсорбера к наружному воздуху через изоляцию

    T абс = температура пластины абсорбера

    T g2 = температура внутреннего остекления

    T воздух = температура наружного воздуха

    Приведенное выше уравнение можно аппроксимировать более простой формулировкой как:

    где

    F R = поправочный коэффициент, определенный опытным путем

    () = произведение всех коэффициентов пропускания и поглощения

    U L = общий коэффициент тепловых потерь, объединяющий термины излучения, конвекции и теплопроводности

    T дюйм = температура рабочей жидкости на входе

    Подставляя это в уравнение,

    Линейную корреляцию можно построить, рассматривая F R () и -F R U L как характеристические константы солнечного коллектора:

    Аналогичным образом можно построить квадратичную корреляцию, используя форму:

    Коэффициенты уравнения эффективности первого и второго порядка перечислены в Справочнике Сертифицированных рейтингов солнечных коллекторов SRCC .

    Модификаторы угла падения

    [ССЫЛКА]

    Как и в случае с обычными окнами, коэффициент пропускания остекления коллектора зависит от угла падения излучения. Обычно коэффициент пропускания максимален, когда падающее излучение перпендикулярно поверхности остекления. Условия испытаний определяют коэффициенты эффективности при нормальном падении. Для углов, отклоняющихся от нормы, коэффициент пропускания остекления изменяется с помощью коэффициента модификатора угла падения .

    Дополнительное тестирование определяет модификатор угла падения как функцию угла падения.Эта связь может соответствовать линейной корреляции первого порядка:

    или квадратичная корреляция второго порядка:

    Коэффициенты модификатора угла падения b 0 и b 1 обычно отрицательны, хотя некоторые коллекторы имеют положительное значение для b 0 . Коэффициенты уравнения модификатора угла падения как первого, так и второго порядка перечислены в Справочнике сертификатов SRCC для солнечных коллекторов .

    Коэффициенты уравнения модификатора угла падения SRCC действительны только для углов падения 60 градусов или меньше. Поскольку эти кривые могут быть действительными, но плохо вести себя для углов более 60 градусов, модель EnergyPlus отсекает усиление коллектора для углов падения более 60 градусов.

    Для плоских коллекторов модификатор угла падения обычно симметричен. Однако для трубчатых коллекторов модификатор угла падения различается в зависимости от того, параллелен ли угол падения трубкам или перпендикулярен им.Их называют биаксиальными модификаторами. Некоторые специальные плоские коллекторы также могут демонстрировать эту асимметрию. Текущая модель еще не может обрабатывать два набора модификаторов угла падения. Тем временем рекомендуется осторожно аппроксимировать трубчатые коллекторы, используя параллельную или перпендикулярную корреляцию.

    Модификаторы угла падения рассчитываются отдельно для излучения солнца, неба и земли. Модификатор чистого угла падения для всего падающего излучения рассчитывается путем взвешивания каждого компонента с помощью соответствующего модификатора.

    Для излучения неба и земли угол падения приблизительно определяется с помощью уравнений Брандемюля и Бекмана:

    где — наклон поверхности в градусах.

    Модификатор чистого угла падения затем вставляется в уравнение полезного тепловыделения:

    Уравнение также изменено соответствующим образом.

    Температура на выходе [ССЫЛКА]

    Температура на выходе рассчитывается с использованием полезного притока тепла q, определенного уравнением, температуры жидкости на входе T в и массового расхода, доступного при моделировании установки:

    где

    = массовый расход жидкости через коллектор

    c p = удельная теплоемкость рабочего тела

    Решение для T из ,

    Если нет потока через коллектор, T out — это температура застоя жидкости. Это вычисляется путем установки левой части уравнения на ноль и решения для T в (что также равно T из для случая отсутствия потока).

    источников [ССЫЛКА]

    ASHRAE. 1989. Стандарт ASHRAE 96-1980 (RA 89): Методы испытаний для определения тепловых характеристик неглазурованных плоских солнечных коллекторов жидкостного типа. Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.

    ASHRAE.1991. Стандарт ASHRAE 93-1986 (RA 91): Методы испытаний для определения тепловых характеристик солнечных коллекторов. Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Inc.

    Даффи, Дж. А. и Бекман, В. А. 1991. Солнечная инженерия тепловых процессов, второе издание. Нью-Йорк: Wiley-Interscience.

    Корпорация по оценке и сертификации солнечной энергии. 2004. Справочник сертифицированных SRCC рейтингов солнечных коллекторов, OG 100. Какао, Флорида: Корпорация по оценке и сертификации солнечной энергии.

    Интегральный коллектор-накопитель (ICS) Солнечный коллектор [ССЫЛКА]

    Солнечные коллекторы со встроенными моделями накопителей используют объект SolarCollector: IntegralCollectorStorage, а входные параметры характеристик этого коллектора предоставляются объектом SolarCollectorPerformance: IntegralCollectorStorage. Эта модель основана на подробных уравнениях энергетического баланса солнечных коллекторов, которые объединяют в себе накопитель. В этой модели есть два варианта представления нижней части коллектора за пределами граничных условий: AmbientAir и OtherSideConditionsModel.AmbientAir просто применяет температуру наружного воздуха, используя комбинированную конвекцию и радиационную проводимость, а OtherSideConditionsModel применяет комбинированные модели излучения и конвекции, которые возникают в естественно вентилируемой полости, чтобы представить нижнюю часть коллектора за пределами граничных условий. Более позднее граничное условие учитывает затенение коллектора на подстилающей поверхности, следовательно, коллектор ICS можно считать неотъемлемой частью ограждающей конструкции здания. Принципиальная схема прямоугольного солнечного коллектора ICS показана на Рисунке 273 ниже:

    Принципиальная схема прямоугольного интегрированного коллекторного накопителя

    Расчеты солнечного света и затенения [ССЫЛКА]

    В объекте солнечного коллектора используется стандартная поверхность EnergyPlus, чтобы воспользоваться преимуществами подробных расчетов солнечного излучения и затенения.Солнечное излучение, падающее на поверхность, включает пучковое и диффузное излучение, а также излучение, отраженное от земли и прилегающих поверхностей. Также учитывается затенение коллектора другими поверхностями, например, близлежащими зданиями или деревьями. Точно так же поверхность коллектора затемняет поверхность крыши под ней, поэтому прямая солнечная радиация не падает на поверхность крыши. Коллектор и крыша за пределами граничных условий должны быть указаны как OtherSideConditionModel, чтобы учесть влияние затенения солнечного коллектора на поверхность крыши.

    Математическая модель

    [ССЫЛКА]

    Солнечный коллектор со встроенным коллектором-накопителем (ICS) представлен с использованием двух уравнений баланса энергии переходных процессов, показанных ниже. Эти уравнения представляют собой уравнение баланса энергии для пластины поглотителя и воды в коллекторе.

    Где,

    м p C p = теплоемкость поверхности поглотителя, Дж / ° C

    A = общая площадь коллектора, м 2

    () e = произведение коэффициента пропускания-поглощения абсорбционной пластины и системы покрытия

    I t = общее солнечное излучение, (Вт / м 2 )

    ч pw = коэффициент конвективной теплопередачи от пластины абсорбера к воде, (Вт / м2 ° K)

    U t = общий коэффициент тепловых потерь от поглотителя в окружающий воздух, (Вт / м2 ° K)

    T p = средняя температура пластины абсорбера, (° C)

    T w = средняя температура воды в коллекторе, (° C)

    T a = температура окружающего воздуха, (° C)

    м Вт C pw = теплоемкость водной массы в коллекторе, (Дж / ° C)

    U с = удельная проводимость изоляции со стороны коллектора, (Вт / м 2 ° K)

    U b = проводимость изоляции дна коллектора, (Вт / м 2 ° K)

    T osc = наружная температура нижней изоляции, определенная на основе модели состояния другой стороны, (° C)

    T wi = Температура на входе подпиточной или водопроводной воды, (° C)

    = расход воды через коллектор, (Вт / ° C)

    Граничное условие другой стороны модели, представленное T osc , позволяет нам применить реалистичное внешнее граничное условие для коллектора, установленного на крыше здания. Этим также учитывается затеняющее воздействие коллектора на подстилочную поверхность (крышу). С другой стороны, если заданы граничные условия для окружающего воздуха, коллектор не затеняет нижнюю поверхность, на которой он установлен.

    Два уравнения баланса энергии можно записать как неоднородную ДУ первого порядка с постоянными коэффициентами. Начальными условиями для этих уравнений являются средняя температура пластины поглотителя и средняя температура воды в коллекторе на предыдущих временных шагах.

    Два связанных дифференциальных уравнения первого порядка решаются аналитически. Вспомогательное уравнение связанного однородного дифференциального уравнения имеет вид:

    Это вспомогательное квадратное уравнение всегда имеет два различных действительных корня ( 1 и 2 ), следовательно, решение однородного уравнения является экспоненциальным, а общие решения дифференциальных уравнений даются как:

    Постоянные члены A и B являются частным решением неоднородных дифференциальных уравнений, коэффициентами экспоненциальных членов ( c 1 , c 2 , r 1 , и r 2 ) определяются из начальных условий температуры воды в поглотителе и коллекторе ( T p0 , T w0 ) и равны:

    Модель тепловой сети

    : [ССЫЛКА]

    Модель тепловой сети требует также баланса энергии для каждой крышки коллектора. Предполагается, что уравнение теплового баланса крышек коллектора подчиняется установившейся формулировке без учета их тепловой массы. Представление коллектора ICS в тепловой сети показано на рисунке 274. Кроме того, тепловой баланс на каждой поверхности покрытия требует знания количества поглощенной солнечной фракции, которое определяется на основе анализа трассировки лучей. Для модели тепловой сети, показанной выше, общий верхний коэффициент теплопотерь определяется комбинацией последовательно включенных сопротивлений следующим образом:

    или

    Коэффициенты конвективной и радиационной теплопередачи в уравнении выше рассчитываются на основе температур на предыдущем временном шаге и определяются, как описано в разделе Коэффициенты теплопередачи .

    Схема тепловой сети для солнечного коллектора ICS

    Тепловой баланс крышки коллектора

    Игнорируя тепловую массу крышки коллектора, для каждой крышки формулируются уравнения стационарного теплового баланса, которые позволяют нам определять температуру крышки. Представление теплового баланса поверхности крышки показано на Рисунке 275 ниже.

    Тепловой баланс поверхности крышки коллектора

    Уравнение устойчивого теплового баланса покровного слоя:

    Линеаризуя обмен длинноволновым излучением и представляя условия конвекции с использованием классического уравнения для закона охлаждения Ньютона, уравнения для температур крышек 1 и 2 имеют следующий вид:

    Где,

    c = средневзвешенное солнечное поглощение покрытий 1 и 2 , (-)

    ч r, c1-a = скорректированный коэффициент радиационной теплопередачи между крышкой 1 и окружающим воздухом, (Вт / м 2 K)

    ч c, c1-a = коэффициент конвективной теплопередачи между крышкой 1 и окружающей средой, (Вт / м 2 K)

    ч r, c2-c1 = коэффициент радиационной теплопередачи между крышками 1 и 2 , (Вт / м 2 K)

    ч c, c2-c1 = коэффициент конвективной теплопередачи между крышками 1 и 2 , (Вт / м 2 K)

    ч r, p-c2 = коэффициент теплопередачи излучения между крышками 2 и пластиной поглотителя, (Вт / м 2 K)

    ч c, p-c2 = коэффициент конвективной теплопередачи между крышками 2 и пластиной абсорбера, (Вт / м 2 K)

    q LWR, 1 = поток длинноволнового радиационного обмена на стороне 1 крышки коллектора, (Вт / м 2 )

    q CONV, 1 = конвекционный тепловой поток на стороне 1 крышки коллектора, (Вт / м 2 )

    q LWR, 2 = поток длинноволнового радиационного обмена на стороне 2 крышки коллектора, (Вт / м 2 )

    q CONV, 2 = конвекционный тепловой поток на стороне 2 крышки коллектора, (Вт / м 2 )

    q солнечная энергия, абс. = чистое солнечное излучение, поглощаемое крышкой коллектора, (Вт / м 2 )

    R = тепловое сопротивление для каждой секции вдоль пути теплового потока, (м 2 K / Вт)

    Модель с другой стороны

    [ССЫЛКА]

    Солнечные коллекторы

    ICS обычно устанавливаются на поверхности теплопередачи зданий, поэтому коллекторы затеняют нижележащую поверхность теплопередачи и требуют уникального граничного условия, которое отражает среду воздушной полости, создаваемую между нижней частью поверхности коллектора и подстилающей поверхностью.Модель условий другой стороны, которая позволяет нам оценить температуру другой стороны, T osc , может быть определена на основе установившегося теплового баланса с использованием известной температуры воды коллектора на предыдущем временном шаге.

    Иллюстрация для модели

    для условий работы на другой стороне

    Игнорируя тепловую массу нижней изоляции коллектора, установившийся поверхностный тепловой баланс может быть сформулирован на внешней плоскости нижней поверхности коллектора, обращенной к полости, как показано на рисунке 4. Уравнение теплового баланса на внешней плоскости нижней поверхности коллектора имеет вид:

    ****

    Подставляя уравнения для каждого члена в уравнение выше, получаем:

    ****

    Упрощение дает нижнюю изоляцию с другой стороны температура состояния:

    Температура воздуха в полости определяется из теплового баланса воздуха в полости следующим образом:

    Где

    h ~ r, cav ~ = линеаризованный коэффициент излучения для подстилающей поверхности в полости, (Вт / м 2 K)

    h ~ c, cav ~ = коэффициент конвекции для подстилающей поверхности в полости, (Вт / м 2 K)

    T , так что = температура наружной поверхности лежащей под ней теплопередающей поверхности, (ºC)

    = массовый расход воздуха за счет естественной вентиляции, (кг / с)

    q cond = теплопроводность теплового потока через дно изоляции и, (Вт / м 2 )

    q conv, cav = конвекционный тепловой поток между нижней внешней поверхностью коллектора и воздухом полости, (Вт / м 2 )

    q рад, cav = обменный поток длинноволнового излучения между нижней внешней поверхностью коллектора и внешней поверхностью подстилающей поверхности, (Вт / м 2 )

    Температура воздуха в полости определяется из баланса энергии воздуха в полости. Баланс тепла воздуха требует норм естественной вентиляции воздуха в вентилируемой полости. Расчет скорости вентиляции описан в другом месте этого документа. Объект SurfaceProperty: ExteriorNaturalVentedCavity требуется для описания свойств поверхности, характеристик полости и отверстия для естественной вентиляции.

    Коэффициенты теплопередачи

    [ССЫЛКА]

    Уравнения, используемые для определения различных коэффициентов теплопередачи в уравнениях абсорбера и теплового баланса воды, приведены ниже.Поглощенная солнечная энергия передается воде путем конвекции. Предполагая, что естественная конвекция преобладает над теплопередачей для горячей поверхности, обращенной вниз, и поверхности комка, обращенной вниз, следующая корреляция для числа Нуссельта Фуджи и Имура (1972). Число Нуссельта для горячей поверхности, обращенной вниз, дается по формуле:

    Число Нуссельта для горячей поверхности вверх и холодной поверхности вниз определяется по формуле:

    ****

    ****

    ****

    Где,

    = угол наклона коллектора к вертикали, радиан

    г = постоянная силы гравитации, 9. 806 (м / с 2 )

    T r = эталонные свойства, в которых рассчитываются теплофизические свойства, (° C)

    L c = характерная длина пластины абсорбера, (м)

    k = теплопроводность воды при нормальной температуре, (Вт / мК)

    = кинематическая вязкость воды при нормальной температуре, (м 2 / с)

    = коэффициент температуропроводности воды при нормальной температуре, (м 2 / с)

    β v = коэффициент объемного расширения, рассчитанный при Tv, Tv = Tw + 0.25 (Тп-Тв), (К-1)

    Nu = число Нуссельта, рассчитанное для свойств воды при эталонной температуре, (-)

    Gr = число Грасгофа, рассчитанное для свойств воды при эталонной температуре, (-)

    Pr = число Прандтля, рассчитанное для свойств воды при эталонной температуре, (-)

    Различные коэффициенты радиационной и конвективной теплопередачи задаются следующими уравнениями. Коэффициенты конвективной теплопередачи между крышками и пластиной поглотителя оцениваются на основе эмпирической корреляции для числа Нуссельта для воздушного зазора между двумя параллельными пластинами, разработанной Hollands et al. (1976) это:

    Для математического упрощения приведены коэффициенты обмена длинноволновым излучением между внешней крышкой коллектора и небом и землей с привязкой к температуре окружающего воздуха.

    Коэффициент конвективной теплопередачи от внешнего покрытия к окружающему воздуху определяется по формуле:

    Когда граничным условием нижней поверхности является AmbientAir, комбинированная проводимость от внешнего покрытия к окружающей среде рассчитывается по приведенному ниже уравнению (Даффи и Бекман, 1991).

    Общий коэффициент потерь через дно и боковые стороны коллектора-накопителя оценивается следующим образом:

    Где,

    c1 = коэффициент теплового излучения крышки коллектора 1 , (-)

    c2 = коэффициент теплового излучения крышки коллектора 2 , (-)

    F с = коэффициент обзора от коллектора до неба, (-)

    F г = коэффициент обзора от коллектора до земли, (-)

    T c1 = температура крышки коллектора 1 , (K)

    T c2 = температура крышки коллектора 2 , (K)

    T с = температура неба, (K)

    T г = температура земли, (K)

    k = теплопроводность воздуха, (Вт / м · K)

    L = воздушный зазор между крышками, (м)

    β = наклон пластин или крышек к горизонтали, (радиан)

    V w = скорость ветра, (м / с)

    U Lb = определяемая пользователем теплопроводность снизу, Вт / м 2 K

    U Ls = боковая теплопроводность, определяемая пользователем, Вт / м 2 K

    A b = площадь теплообмена нижней части коллектора, м 2

    A с = площадь со стороны коллектора, м 2

    ч гребешок = комбинированная проводимость от внешней крышки к окружающему воздуху, Вт / м 2 K

    Продукт коэффициента пропускания-поглощения

    Произведение коэффициента пропускания и поглощения солнечного коллектора определяется методом трассировки лучей для любого угла падения (Даффи и Бекман, 1991). Для этого требуются оптические свойства материалов покрытия и поглотителя, и произведение коэффициента пропускания-поглощения для любого угла падения определяется по формуле:

    Коэффициент пропускания системы перекрытий для одинарных и двух крышек определяется по формуле:

    Эффективный коэффициент пропускания, отражения и поглощения одиночного покрытия определяется по формуле:

    Коэффициент пропускания системы покрытия с учетом только поглощения a , определяется как:

    Коэффициент отражения неполяризованного излучения при прохождении от среды 1 с показателем отражения n 1 до среды 2 с показателем отражения n 2 определяется по формуле:

    Средние эквивалентные углы падения рассеянного излучения, отраженного от неба и земли, аппроксимируются корреляцией Брандемюля и Бекмана (Duffie and Beckman, 1991) следующим образом:

    где,

    ** = коэффициент пропускания системы покрытия, (-)

    1 = коэффициент пропускания крышки 1, (-)

    2 = коэффициент пропускания крышки 2, (-)

    ** = поглощающая способность пластины абсорбера, (-)

    d = коэффициент диффузного отражения внутренней крышки, (-)

    L = толщина материала покрытия, (м)

    K = коэффициент ослабления материала покрытия, (м -1 )

    1 = угол падения, градус

    2 = угол преломления, градус

    = параллельная составляющая отраженного неполяризованного излучения, (-)

    = перпендикулярная составляющая отраженного неполяризованного излучения, (-)

    ** = уклон коллектора, градус

    sd = эквивалентный угол падения рассеянного солнечного излучения неба, градусы

    gd = эквивалентный угол падения рассеянного солнечного излучения на землю, градус

    Тепловые параметры интегрального коллектора-накопителя рассчитываются следующим образом:

    Даффи, Дж. A. и W.A. Beckman. 1991. Солнечная инженерия тепловых процессов, 2-е изд. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья.

    Кумар Р. и М.А. Розен. Тепловые характеристики встроенного коллектора-накопителя солнечного водонагревателя с гофрированной абсорбирующей поверхностью. Прикладная теплотехника: 30 (2010) 1764–1768.

    Fujii, T. и H. Imura. Естественная конвекция теплопередачи от пластины с произвольным наклоном. Международный журнал тепломассообмена: 15 (4), (1972), 755-764.

    Фотоэлектрические тепловые плоские солнечные коллекторы [ССЫЛКА]

    Фотоэлектрические-тепловые солнечные коллекторы (PVT) объединяют солнечные электрические элементы и тепловую рабочую жидкость для сбора как электричества, так и тепла. Хотя в настоящее время существует сравнительно немного коммерческих продуктов, PVT-исследования проводились в течение последних 30 лет, и было изучено множество различных типов коллекторов. Zondag (2008) и Charalambous et. al (2007) предоставляют обзоры литературы по PVT.Поскольку PVT является гораздо менее зрелым с коммерческой точки зрения, не существует стандартов или рейтинговых систем, таких как для тепловых коллекторов горячей воды. В настоящее время EnergyPlus имеет одну простую модель, основанную на эффективности, определяемой пользователем, но более подробная модель, основанная на первых принципах, и подробное поэтапное описание находится в стадии разработки.

    PVT-модели повторно используют фотоэлектрические модели для производства электроэнергии. Они описаны в другом месте этого документа в разделе Фотоэлектрические массивы — Простая модель

    .

    Простая тепловая модель PVT [ССЫЛКА]

    Входной объект SolarCollector: FlatPlate: PhotovoltaicThermal предоставляет простую модель PVT, которая предоставляется для быстрого использования во время разработки или изучения политики.Пользователь просто задает значения теплового КПД, и падающая солнечная энергия нагревает рабочее топливо. Модель также включает режим охлаждения для систем на основе воздуха, где указанная пользователем поверхностная излучательная способность используется для моделирования охлаждения рабочей жидкости в ночное небо (охлаждение на водной основе будет доступно, когда станет доступен резервуар для хранения охлажденной воды) . Никаких других деталей конструкции PVT коллектора в качестве исходных данных не требуется.

    Простая модель может нагревать воздух или жидкость.Если он нагревает воздух, то PVT является частью контура воздушной системы HVAC с воздушными узлами, подключенными к воздушной системе. Если он нагревает жидкость, то PVT является частью контура установки с узлами, подключенными к контуру установки, и схема работы установки определяет потоки.

    PVT-моделирование на основе воздушной системы включает в себя регулирующую байпасную заслонку. Логика управления определяет, должен ли воздух обходить коллектор, чтобы лучше соответствовать заданному значению. Модель требует, чтобы уставка температуры сухого термостата была размещена на выходном узле.Модель предполагает, что коллектор предназначен и доступен для нагрева, когда падающая солнечная энергия превышает 0,3 Вт / м 2 , а в противном случае он предназначен для охлаждения. Температура на входе сравнивается с уставкой на выпускном узле, чтобы определить, является ли охлаждение или нагрев выгодным. Если да, то для кондиционирования воздушного потока применяются тепловые модели PVT. Если они не приносят пользы, то PVT полностью обходится, и входной узел передается непосредственно к выходному узлу, чтобы смоделировать полностью обходное устройство заслонки.Переменная отчета доступна для состояния заслонки байпаса.

    PVT на заводе не включает байпас (хотя он может использоваться в заводском контуре). Коллектор запрашивает расчетную скорость потока, но в остальном для управления он полагается на более крупный контур установки.

    Когда PVT-тематический коллектор находится во включенном состоянии, в режиме нагрева и течет рабочая жидкость, модель рассчитывает температуру на выходе на основе температуры на входе и собранной теплоты с использованием следующих уравнений.

    где,

    — собранная тепловая энергия [Вт]

    — чистая площадь поверхности [м 2 ]

    — доля поверхностного воздуха с активным PV / T коллектором, а

    — коэффициент теплового преобразования.

    где,

    — температура рабочей жидкости на выходе из PV / T

    .

    — температура рабочей жидкости на входе в PV / T

    .

    — полный массовый расход рабочего тела через PV / T

    — удельная теплоемкость рабочего тела.

    Для систем с воздушным охлаждением значение затем сравнивается с уставкой температуры на выходном узле. Если температура на выходе превышает заданную, то для моделирования регулирующей заслонки байпаса рассчитывается доля байпаса с использованием:

    Когда PVT-тематический коллектор находится в состоянии «включен» в режиме охлаждения, а рабочая жидкость течет, модель рассчитывает температуру на выходе на основе температуры на входе и тепла, излучаемого и конвектируемого в окружающую среду, с использованием теплового баланса на теплоносителе. внешняя грань коллектора:

    Где,

    — это чистая скорость обмена длинноволновым (тепловым) излучением с воздухом, ночным небом и землей.См. Раздел «Внешнее длинноволновое излучение» в Тепловом балансе внешней поверхности, где подробно обсуждается, как это моделируется в EnergyPlus с использованием линеаризованных коэффициентов излучения.

    — чистая скорость конвективного обмена потоком с наружным воздухом. См. Раздел «Наружная / внешняя конвекция» в «Тепловом балансе внешней поверхности», где подробно обсуждается, как это моделируется в EnergyPlus. Предполагается, что шероховатость поверхности «очень гладкая».

    Простая модель предполагает, что эффективная температура коллектора является средним значением температуры рабочей жидкости на входе и выходе, поэтому мы можем сделать следующую замену:

    Подставляя и решая для, получаем следующую модель для температур коллектора во время (возможного) процесса охлаждения:

    Затем можно рассчитать температуру на выходе и определить тепловые потери.Однако модель допускает только ощутимое охлаждение воздушного потока и ограничивает температуру на выходе, чтобы она не опускалась ниже температуры точки росы на входе.

    Коллекторы

    PVT имеют расчетный объемный расход рабочей жидкости с возможностью автоматического изменения размеров. Для воздушных систем, используемых в качестве предварительных кондиционеров, объемный расход рассчитывается таким образом, чтобы соответствовать максимальному расходу наружного воздуха. Для систем на водной основе на стороне подачи контура установки, каждый из коллекторов PVT рассчитан на общую скорость потока контура.который был разработан путем анализа набора данных SRCC для обычных солнечных коллекторов (см. набор данных SolarCollectors.idf) и усреднения отношения для всех 171 различных коллекторов.

    источников [ССЫЛКА]

    Хараламбус П.Г., Мейдмент Г.Г., Калагироу С.А., Якуметти К. Фотоэлектрические тепловые (PV / T) коллекторы: обзор. Прикладная теплотехника 27 (2007) 275-286.

    Зондаг, Х.А. 2008. Плоские фотоэлектрические коллекторы и системы: обзор.Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 12 (2008) 891-959.

    Неглазурованные солнечные коллекторы с прозрачным стеклом [ССЫЛКА]

    Входной объект SolarCollector: UnglazedTranspired предоставляет модель просвечиваемых коллекторов, которые, возможно, являются одним из наиболее эффективных способов сбора солнечной энергии с продемонстрированной мгновенной эффективностью более 90% и средней эффективностью более 70%. Они используются для предварительного нагрева наружного воздуха, необходимого для вентиляции и таких процессов, как сушка сельскохозяйственных культур.

    В EnergyPlus неглазурованный прозрачный солнечный коллектор (UTSC) моделируется как специальный компонент, прикрепленный к внешней стороне поверхности теплопередачи, которая также соединена с каналом наружного воздуха. UTSC влияет как на тепловую оболочку, так и на воздушную систему HVAC. С точки зрения воздушной системы, UTSC — это теплообменник, и при моделировании необходимо определить, насколько устройство повышает температуру наружного воздуха. С точки зрения тепловой оболочки, наличие коллектора на внешней стороне поверхности изменяет условия, в которых находятся нижележащие поверхности теплопередачи.EnergyPlus моделирует производительность здания в течение года, и UTSC часто будет отключаться с точки зрения принудительного воздушного потока, но коллектор все еще присутствует. Когда UTSC включен, всасываемый воздушный поток считается равномерным по всей поверхности. Когда UTSC выключен, коллектор действует как радиационно-конвекционная перегородка, расположенная между внешней средой и внешней стороной лежащей ниже поверхности теплопередачи. Мы различаем эти два режима работы как активный или пассивный и моделируем компонент UTSC по-разному в зависимости от того, в каком из этих режимов он находится.

    Эффективность теплообменника

    [ССЫЛКА]

    Перфорированная пластина абсорбера рассматривается как теплообменник и моделируется с использованием традиционной формулы эффективности. Эффективность теплообменника определяется на основе корреляций, полученных в результате небольших экспериментов. В EnergyPlus реализованы две корреляции, доступные в литературе. Первый основан на исследовании Кучера из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии. Второй основан на исследовании Ван Декера, Холландса и Брюнгера из Университета Ватерлоо.Поскольку обе корреляции считаются действительными, выбор того, какую корреляцию использовать, остается за пользователем.

    Корреляция Кучера [ССЫЛКА]

    Корреляция Кучера (1994) охватывает поверхностную конвекцию между коллектором и входящим потоком наружного воздуха, которая возникает на передней поверхности, в отверстиях и вдоль задней поверхности коллектора. Корреляция использует число Рейнольдса на основе диаметра отверстия в качестве шкалы длины и средней скорости воздуха, проходящего через отверстия, в качестве шкалы скорости:

    где,

    — скорость через отверстия [м / с]

    — диаметр отверстия [м]

    — кинематическая вязкость воздуха [м 2 / с]

    Корреляция является функцией числа Рейнольдса, геометрии отверстия, скорости набегающего потока воздуха и скорости, проходящей через отверстия:

    где,

    — шаг или расстояние между отверстиями, [м],

    — диаметр отверстия, [м],

    — пористость или доля площади отверстий, [безразмерная],

    — средняя скорость воздуха, проходящего через отверстия, [м / с],

    — скорость набегающего потока (скорость местного ветра) [м / с].

    Число Нуссельта формулируется как:

    где,

    — это общий коэффициент теплопередачи, основанный на средней логарифмической разнице температур, [Вт / м 2 · K], и

    — теплопроводность воздуха [Вт / м · К].

    КПД теплообменника:

    Соотношение Кучера было сформулировано для треугольного расположения отверстий, но основано на Van Decker et al.(2001) мы допускаем использование корреляции для расположения и масштаба квадратных отверстий в 1,6 раза.

    Корреляция Ван Декера, Холландса и Брюнгера [ССЫЛКА]

    Van Decker et. al. расширил измерения Кучера, включив в него более широкий диапазон параметров коллектора, включая толщину пластины, шаг, скорость всасывания и структуру квадратных отверстий. Их формулировка модели отличается от формулировки Кучера тем, что модель была построена из отдельных моделей эффективности для передней, задней и отверстий коллектора.Их опубликованное соотношение:

    где,

    — средняя скорость всасывания через переднюю поверхность коллектора [м / с]

    — толщина коллекторной пластины

    Температура на выходе теплообменника [ССЫЛКА]

    Использование любого из приведенных выше соотношений позволяет определить эффективность теплообменника по известным значениям.По определению эффективность теплообменника также составляет:

    где,

    — температура воздуха, выходящего из коллектора и поступающего в камеру статического давления [ºC]

    — температура пластины поглотителя коллектора, [ºC], а

    — это температура окружающего наружного воздуха [ºC].

    Переписав уравнение для решения для, мы видим, что температура нагретого наружного воздуха, поступающего в камеру статического давления, может быть определена, если известна температура поверхности коллектора,

    Тепловой баланс коллектора

    [ССЫЛКА]

    Предполагается, что коллектор достаточно тонкий и обладает высокой проводимостью, чтобы его можно было смоделировать с использованием одной температуры (для обеих сторон и по его площади).Эта температура определяется путем определения теплового баланса в контрольном объеме, который просто закрывает поверхность коллектора. Тепловые балансы сформулированы отдельно для активного и пассивного режимов и показаны на следующем рисунке.

    Обратите внимание, что для пассивного случая мы не используем соотношения теплообменника для прямого моделирования взаимодействия вентилируемого воздуха с коллектором. Это потому, что эти отношения считаются неприменимыми, когда UTSC находится в пассивном режиме.Они были разработаны для однонаправленного потока (а не для уравновешенного потока на входе и выходе, ожидаемого от естественных сил) и для определенных диапазонов скорости на всасывающей стороне. Таким образом, этот механизм теплопередачи обрабатывается с использованием классических моделей поверхностной конвекции (как если бы коллектор не был перфорирован). (Воздухообмен моделируется как вентиляция в тепловом балансе приточного воздуха, но не взаимодействует с краями отверстий на поверхности коллектора.)

    Тепловой баланс коллектора Transpired

    Когда UTSC активен, тепловой баланс на контрольном объеме поверхности коллектора составляет:

    где:

    ~~ поглощается прямым и рассеянным солнечным (коротковолновым) тепловым потоком излучения.

    — это чистый обмен потоком длинноволнового (теплового) излучения с воздухом и окружающей средой.

    — это поверхностный конвекционный поток обмена с наружным воздухом в условиях сильного ветра и дождя. Обратите внимание, что этот член обычно принимается равным нулю при разработке модели UTSC, но мы добавляем термин, чтобы учесть ухудшение характеристик UTSC в плохих условиях.

    ~~ — поток теплообменника от коллектора к входящему наружному воздуху.

    ~~ — чистый обмен потоком длинноволнового (теплового) излучения с внешней поверхностью подстилающей поверхности (поверхностей).

    — это термин источник / сток, который учитывает энергию, экспортируемую из контрольного объема, когда пластина поглотителя коллектора представляет собой гибридное устройство, такое как фотоэлектрическая панель.

    При тепловом балансе на контрольном объеме пассивной поверхности коллектора:

    где:

    ~~ = теплообмен поверхностной конвекции с наружным воздухом.

    ~~ = теплообмен поверхностной конвекции с приточным воздухом.

    Все члены положительны для чистого потока к коллектору, за исключением члена теплообменника, который считается положительным в направлении от коллектора к входящему воздушному потоку. Каждый из этих компонентов теплового баланса кратко представлен ниже.

    Внешнее излучение ПО [ССЫЛКА]

    ~~ рассчитывается с использованием процедур, представленных в другом месте данного руководства, и включает как прямое, так и рассеянное падающее солнечное излучение, поглощаемое поверхностью поверхности.Это зависит от местоположения, угла и наклона поверхности, затенения поверхностей, свойств материала поверхности, погодных условий и т. Д.

    Внешнее ДВ-излучение [ССЫЛКА]

    — это стандартная формулировка радиационного обмена между поверхностью, небом, землей и атмосферой. Радиационный тепловой поток рассчитывается на основе коэффициента поглощения поверхности, температуры поверхности, температуры неба, воздуха и земли, а также факторов обзора неба и земли. Излучение моделируется с использованием линеаризованных коэффициентов.

    Внешняя конвекция [ССЫЛКА]

    ~~ моделируется с использованием классической формулировки: ~~ = h co (T воздух — T o ), где h co — коэффициент конвекции. Этот коэффициент будет отличаться в зависимости от того, является ли UTSC активным или пассивным. Когда UTSC пассивен, h co обрабатывается так же, как и внешняя поверхность с условиями ExteriorEnvironment. Когда UTSC активен, особая ситуация с потоком всасываемого воздуха в проходимом коллекторе во время работы означает, что h co часто равно нулю, поскольку ситуация всасывания может исключить массовый перенос от коллектора.Однако при сильном ветре сильная турбулентность и колебания давления могут привести к нарушению всасывающего потока. Поэтому мы включаем этот член в тепловой баланс и используем специальный коэффициент для моделирования этой потерянной теплопередачи. Кроме того, когда на улице идет дождь, мы предполагаем, что коллектор намокает, и моделируем улучшенную поверхностную теплопередачу, используя большое значение для.

    Теплообменник

    [ССЫЛКА]

    ~~ моделируется с использованием классической формулировки ~~, где определяется с использованием корреляций, описанных выше.Когда UTSC активен, массовый расход воздуха определяется по работе компонента смесителя наружного воздуха. Когда UTSC выключен, этот член равен нулю.

    Plenum LW Radation [ССЫЛКА]

    представляет собой стандартную формулировку радиационного обмена между поверхностью коллектора и лежащей ниже поверхностью теплопередачи, расположенной поперек камеры повышенного давления. Излучение моделируется с использованием линеаризованных коэффициентов.

    Пленум-конвекция

    [ССЫЛКА]

    ~~ моделируется с использованием классической формулировки: ~~ = h cp (T air — T o ), где h cp , — коэффициент конвекции.Этот коэффициент принимается равным нулю, когда UTSC работает из-за ситуации с потоком всасываемого воздуха. Когда UTSC выключен, значение h cp получается из корреляций, используемых для оконных зазоров из стандарта ISO (2003) 15099.

    Подстановка моделей в и решение для дает следующее уравнение, когда UTSC активен («включен»):

    и замена в дает следующее уравнение, когда UTSC пассивен («выключен»):

    где,

    — падающее солнечное излучение всех типов [Вт / м 2 ],

    — коэффициент поглощения солнечной энергии коллектора [безразмерный],

    — линеаризованный коэффициент излучения для окружающей атмосферы [Вт / м 2 · K],

    — это сухая луковица на открытом воздухе из погодных данных, также принятая для поверхности земли [ºC],

    — линеаризованный коэффициент излучения неба [Вт / м 2 · K],

    — эффективная температура неба [ºC],

    — линеаризованный коэффициент излучения для земли [Вт / м 2 · K],

    — линеаризованный коэффициент излучения для подстилающей поверхности [Вт / м 2 · K],

    — коэффициент конвекции для внешней среды, когда UTSC активен, и дует сильный ветер или идет дождь [Вт / м 2 · K],

    — температура наружной поверхности лежащей под ним теплопередающей поверхности [ºC],

    — массовый расход воздуха в активном режиме [кг / с],

    — удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении [Дж / кг · К],

    — площадь коллектора [м 2 ],

    — коэффициент конвекции для внешней среды [Вт / м 2 · K],

    — коэффициент конвекции для поверхностей, обращенных к камере статического давления [Вт / м 2 · K], а

    — это сухая камера для воздуха, поступающего в камеру статического давления и поступающего в систему наружного воздуха [ºC].

    Plenum Heat Balance [ССЫЛКА]

    Камера статического давления — это объем воздуха, расположенный между коллектором и лежащей под ним поверхностью теплопередачи. Приточный воздух моделируется как хорошо перемешанный. Равномерная температура приточного воздуха определяется путем расчета теплового баланса контрольного объема воздуха, как показано на диаграмме ниже.

    Обратите внимание, что мы сформулировали контрольные объемы с небольшими различиями для активного и пассивного случаев.Для активного корпуса формулировки условий всасываемого воздуха и эффективности теплообменника требуют, чтобы контрольный объем поверхности коллектора охватывал часть воздуха, прилегающую как к передней, так и к задней поверхностям коллектора. Однако для пассивного случая в контрольном объеме поверхности коллектора нет воздуха, а контрольный объем приточного воздуха простирается до поверхности коллектора.

    Воздушно-тепловой баланс пленочной камеры коллектора

    Когда UTSC активен, тепловой баланс в регулирующем объеме приточного воздуха составляет:

    где,

    — это чистая величина энергии, добавляемой за счет конвекции всасываемого воздуха через контрольный объем.

    ~~ — это чистая скорость, добавляемая за счет поверхностной конвективной теплопередачи с подстилающей поверхностью.

    Когда UTSC пассивен, тепловой баланс в регулирующем объеме приточного воздуха составляет:

    где,

    — это чистая норма энергии, добавляемая в результате инфильтрации, когда наружный окружающий воздух обменивается с приточным воздухом.

    — чистый коэффициент энергии, добавленной за счет поверхностной конвективной теплопередачи с коллектором.

    Подстановка и решение для дает следующее уравнение, когда UTSC активен:

    И подстановка в дает следующее уравнение, когда UTSC пассивен:

    где,

    — массовый расход воздуха от естественных сил [кг / с]

    В литературе по UTSC, по-видимому, не рассматривается пассивный режим работы, и модели для него не определены.Тем не менее ожидается, что естественная плавучесть и силы ветра будут стимулировать воздухообмен между камерой статического давления и окружающей средой, и необходим некоторый метод моделирования. Поскольку конфигурация аналогична односторонней естественной вентиляции, мы решили использовать корреляции для естественной вентиляции, представленные в главе 26 ASHRAE HOF (2001).

    где,

    — плотность воздуха [кг / м 3 ], а

    — это общий объемный расход воздуха, поступающего в камеру статического давления и выходящего из нее.

    (если)

    (если и UTSC вертикальный)

    — это эффективность проемов, которая зависит от геометрии проема и ориентации по отношению к ветру. ASHRAE HoF (2001) указывает значения в диапазоне от 0,25 до 0,6. В модели UTSC это значение доступно для ввода пользователем и по умолчанию равно 0,25.

    — коэффициент расхода для проема, зависит от геометрии проема.В модели UTSC это значение доступно для ввода пользователем и по умолчанию равно 0,65.

    Аргументы о непрерывности массы приводят к моделированию площади отверстий как половину общей площади отверстий, поэтому мы имеем:

    — гравитационная постоянная, принятая равной 9,81 [м / с 2 ].

    — высота от середины нижнего отверстия до уровня нейтрального давления. Это составляет одну четвертую общей высоты UTSC, если он установлен вертикально.Для наклонных коллекторов номинальная высота изменяется на синус наклона. Если UTSC установлен горизонтально (например, на крыше), то принимается толщина зазора камеры статического давления.

    Если UTSC горизонтальный, то потому, что это стабильная ситуация.

    Базовая поверхность теплопередачи [ССЫЛКА]

    UTSC наносится снаружи на поверхность теплопередачи. Эта поверхность моделируется с использованием обычных методов EnergyPlus для обработки теплоемкости и переходных процессов — обычно метод CTF.Эти встроенные программы EnergyPlus Heat Balance используются для расчета. Модель UTSC соединяется с нижней поверхностью с помощью механизма OtherSideConditionsModel. Модель UTSC предоставляет значения для,, и для использования с расчетами модели теплового баланса для внешней стороны подстилающей поверхности (описанной в другом месте в этом руководстве).

    Расчеты солнечного света и затенения [ССЫЛКА]

    Просвечиваемый объект-коллектор использует стандартную поверхность EnergyPlus, чтобы воспользоваться преимуществами подробных расчетов солнечного излучения и затенения.Солнечное излучение, падающее на поверхность, включает пучковое и диффузное излучение, а также излучение, отраженное от земли и прилегающих поверхностей. Также учитывается затенение коллектора другими поверхностями, например, близлежащими зданиями или деревьями.

    Расчет локальной скорости ветра [LINK]

    Скорость наружного ветра влияет на термины, используемые при моделировании компонентов UTSC. Предполагается, что скорость ветра в файле погоды измеряется на метеорологической станции, расположенной в открытом поле на высоте 10 м.Чтобы приспособиться к разному рельефу на строительной площадке и разнице в высоте поверхностей зданий, для каждой поверхности рассчитывается местная скорость ветра.

    Скорость ветра модифицируется на основе измеренной метеорологической скорости ветра по уравнению (ASHRAE 2001):

    , где z — высота центроида UTSC, z met — высота стандартного метереологического измерения скорости ветра, а a и  — коэффициенты, зависящие от местности. — толщина пограничного слоя для данного типа местности. Значения a и  показаны в следующих таблицах:

    Зависимые от местности коэффициенты (ASHRAE 2001).
    1 Плоский, местность 0,14 270
    2 Грубая, лесистая местность 0,22 370
    3 Города и города 0.33 460
    4 Океан 0,10 210
    5 Городское, промышленное, лесное 0,22 370

    UTSC может быть определен таким образом, чтобы он имел несколько нижележащих поверхностей теплопередачи. Высоты центроидов для каждой поверхности взвешиваются по площади, чтобы определить среднюю высоту для использования в расчетах местного ветра.

    Коэффициенты конвекции

    [ССЫЛКА]

    UTSC-моделирование требует вычисления до трех различных коэффициентов поверхностной конвективной теплопередачи. Эти коэффициенты определяются классическим способом:

    Во-первых, это коэффициент конвекции для поверхности коллектора, обращенной наружу, когда UTSC пассивен. Он моделируется точно так же, как и где-либо еще в EnergyPlus, и будет зависеть от настроек пользователя для алгоритма внешней конвекции — тепловой баланс внешней поверхности в другом месте в этом документе.

    Во-вторых, это коэффициент конвекции для поверхностей, обращенных к камере статического давления. Этот коэффициент применяется только к конвекции подстилающей поверхности, когда UTSC активен, и как к коллектору, так и к подстилающей поверхности, когда UTSC пассивен. Когда UTSC активен, мы используем корреляцию конвекции для нагнетаемого воздуха, разработанную McAdams (1954), как опубликовано ASHRAE HoF (2001):

    где,

    — средняя скорость в камере статического давления, определяемая исходя из того, где — эффективная площадь поперечного сечения камеры, перпендикулярная направлению основного потока.Когда UTSC пассивен, мы моделируем конвекцию так же, как в EnergyPlus для моделирования воздушных зазоров в окнах. Эти корреляции различаются числом Рэлея и наклоном поверхности и основаны на работе различных исследований, включая Hollands et. др., Эльшербины и др. др., Райт и Арнольд. Формулировки задокументированы в стандарте 15099 ISO (2003). Для реализации UTSC подпрограммы были адаптированы из подпрограммы NusseltNumber в WindowManager.f90 (Ф. Винкельманн), которая сама была получена из подпрограммы Window5 «nusselt».

    В-третьих, это коэффициент конвекции, используемый для ухудшения характеристик UTSC в условиях окружающей среды с сильным ветром или дождем. Если в файле погоды указано, что идет дождь, то мы устанавливаем = 1000.0, в результате чего температура коллектора будет равна температуре окружающего воздуха. Описанные выше корреляции эффективности теплообменника учитывают умеренное количество ветра, но корреляции, по-видимому, ограничены диапазоном от 0 до 5,0 м / с. Поэтому мы устанавливаем равным нулю, если <= 5.0 м / с. Если> 5,0 м / с, мы используем корреляцию МакАдамса, но с уменьшенной величиной скорости:

    Коэффициенты излучения [ССЫЛКА]

    Моделирование

    UTSC требует расчета до четырех различных линеаризованных коэффициентов радиационной теплопередачи. В то время как при расчетах излучения обычно используется температура, возведенная в четвертую степень, это значительно усложняет решение уравнений теплового баланса для одной температуры. Коэффициенты линеаризованного излучения имеют те же единицы измерения и используются таким же образом, что и коэффициенты поверхностной конвекции, и вносят очень небольшую ошибку для соответствующих уровней температуры.

    Коэффициент излучения, используется для моделирования теплового излучения между поверхностью коллектора и внешней поверхностью подстилающей поверхности теплопередачи. Мы исходим из единства мнений. Рассчитывается с использованием:

    где,

    все температуры переведены в градусы Кельвина,

    — постоянная Стефана-Больцмана,

    — длинноволновое тепловое излучение коллектора, а

    — длинноволновое тепловое излучение подстилающей поверхности теплопередачи.

    Три других коэффициента,, и используются в другом месте EnergyPlus для теплового баланса внешней поверхности и рассчитываются таким же образом, как уравнение для коллекторов UTSC. [Это достигается путем вызова подпрограммы InitExteriorConvectionCoeffs в файле HeatBalanceConvectionCoeffs.f90. ]

    Bypass Control [ССЫЛКА]

    Предполагается, что UTSC устроен так, что байпасная заслонка контролирует, забирается ли воздух непосредственно снаружи или через UTSC.Решение о регулировании основывается на том, будет ли полезно нагревать наружный воздух. Существует несколько уровней управления, включая график доступности, независимо от того, холоднее ли наружный воздух, чем уставка смешанного воздуха, или ниже ли температура воздуха в зоне, чем так называемая уставка свободного нагрева.

    Предупреждения об изменении размеров [ССЫЛКА]

    Хотя конструкция извлеченного коллектора остается на усмотрение пользователя, программа выдает предупреждения, когда скорость всасываемого воздушного потока выходит за пределы диапазона 0.003 до 0,08 м / с.

    Общая эффективность [ССЫЛКА]

    Общий тепловой КПД UTSC представляет собой полезный выходной отчет и определяется как отношение полезного тепловыделения всей системы к общему солнечному излучению, падающему на общую площадь поверхности коллектора.

    где

    — полезный приток тепла

    — суммарное падающее солнечное излучение

    Обратите внимание, что КПД определен только для.Этот КПД включает тепло, рекуперированное от нижней стены, и может превышать 1,0.

    Эффективность коллектора

    [ССЫЛКА]

    Тепловой КПД коллектора представляет собой полезный выходной отчет и определяется как отношение полезного тепловыделения жидкости коллектора к общему солнечному излучению, падающему на общую площадь поверхности коллектора.

    Обратите внимание, что КПД определен только для

    источников [ССЫЛКА]

    Кучер, К.F. 1994. Эффективность теплообмена и падение давления для воздушного потока через перфорированные пластины с боковым ветром и без него. Журнал теплопередачи . Май 1994, т. 116, стр. 391. Американское общество инженеров-механиков.

    Ван Деккер, G.W.E., K.G.T. Холландс и А.П.Брюнгер. 2001. Теплообменные соотношения для неостекленных прозрачных солнечных коллекторов с круглыми отверстиями на квадрате с треугольным шагом. Солнечная энергия . Vol. 71, No. 1. С. 33-45, 2001.

    ISO.2003. ISO 15099: 2003. Тепловые характеристики окон, дверей и затеняющих устройств — Детальные расчеты. Международная Организация Стандартизации.

    Калькулятор выходной энергии солнечного коллектора

    С помощью этого калькулятора энергии вы можете приблизительно определить, сколько энергии солнечный коллектор с эвакуируемыми трубками Apricus AP будет производить каждый год. Значения консервативны, поэтому вы можете получить до 15% больше, если находитесь в жарком регионе или у вас есть большой специальный резервуар для хранения солнечной энергии.

    Чтобы рассчитать выход энергии, вы должны ввести следующие переменные:

    Уровни солнечной инсоляции

    Прежде чем рассчитывать выходную мощность, вы должны знать свой уровень солнечной радиации (также известной как солнечная инсоляция). Щелкните здесь, чтобы найти значения для вашего местоположения. Обратите внимание на среднегодовое значение, которое можно использовать ниже для оценки выработки энергии и экономии.

    Обратите внимание, что энергия должна вводиться в единицах кВтч / м 2 / день.

    Преобразование из США в метрические единицы: 1 кВтч / м 2 / день = 317,1 БТЕ / фут 2 / день

    Размер коллектора

    Введите общее количество вакуумированных пробирок Apricus.

    Затраты энергии

    Введите стоимость киловатт-часа в местной валюте (может потребоваться конвертировать из m 3 или термических единиц газа)

    • 1 терм = 29.3 кВт · ч = 100 000 БТЕ = 105,5 МДж
    • Природный газ составляет 39 МДж / м 3 = 10,83 кВтч / м 3
    • Сжиженный нефтяной газ пропан (жидкость) = 25,3 МДж / л = 7 кВт · ч / л
    • LPG Пропан (газ) = 93,3 МДж / м 3 = 25,9 кВтч / м 3

    Чтобы узнать о стоимости энергии в Европе, нажмите здесь.

    Примечания:

    • Значения выработки энергии являются консервативными приближениями с реальной выработкой -5% / + 15% от расчетных значений.Фактическая выходная мощность и общая эффективность системы будут зависеть от места установки, климата, изоляции, конфигурации системы и многих других факторов. В дождливые или пасмурные дни выработка энергии значительно снижается.
    • Пиковая эффективность коллектора достигается только при одинаковой температуре окружающей среды и температуре воды. При нормальном использовании это может происходить только в течение короткого периода времени каждый день и обычно только при высоких температурах окружающей среды (летом).Поэтому при нормальном использовании солнечный коллектор не всегда может работать с таким высоким уровнем эффективности. Это верно для всех вакуумных трубчатых и плоских коллекторов, а не только для коллекторов Apricus. Чтобы получить более реалистичные цифры, приведенные выше расчеты основаны на «нормальных» условиях эксплуатации, при которых разница между температурой окружающей среды и температурой воды в коллекторе составляет около 20-30 o C. Для получения дополнительной информации об эффективности коллектора щелкните здесь.
    • При сравнении с другими продуктами примите во внимание вышеуказанный момент.Не используйте просто значения пикового КПД для выработки энергии, так как это приведет к завышенным цифрам. Значения IAM также играют важную роль в определении общего выхода энергии из солнечного коллектора. Нажмите здесь, чтобы узнать больше о том, как интерпретировать цифры IAM.
    • Энергия производится в виде тепла. При транспортировке и преобразовании этой энергии, например, для кондиционирования воздуха или центрального отопления, некоторая энергия (тепло) будет потеряна, поскольку никакая система или изоляция не являются эффективными на 100%.

    3.2 Энергетический баланс в плоских коллекторах

    Фундаментальной концепцией теплового анализа любой тепловой системы является сохранение энергии, которое можно проанализировать с помощью расчета энергетического баланса в условиях устойчивого состояния. В установившемся режиме полезная выходная энергия коллектора представляет собой разницу между поглощенным солнечным излучением и полными тепловыми потерями из коллектора

    Полезная энергия = Поглощенная солнечная энергия — Тепловые потери

    Очевидно, что чем выше полезный выход энергии от конкретной конструкции, тем выше ожидаемый КПД.Тепловой КПД коллектора является важным параметром, который следует учитывать при таком анализе, поскольку он создает основу для сравнения различных материалов и модификаций коллекторных систем. Так много теоретических расчетов, представленных в книгах (а также в этом Уроке), в конечном итоге направлены на оценку эффективности.

    Давайте сначала определим термический КПД ( η ), так как он будет основной и конечной целью данной главы.

    \ [\ eta = \ frac {{{Q_u}}} {{{A_c} {G_T}}} \]

    , где Q u — полезный выход энергии из коллектора, G T — поток падающего солнечного излучения (освещенность) и A c — площадь коллектора.Значит, знаменатель здесь — это общая потребляемая энергия коллектора. В этой формуле G T — это параметр, характеризующий внешние условия, и он обычно известен из практических измерений (с помощью пиранометра) или допущений для конкретного места. Площадь коллектора — это заданная техническая характеристика. Так что главный вопрос здесь — как оценить Q и — полезную энергию.

    Как упоминалось выше, чтобы определить, сколько энергии остается доступной для полезной тепловой работы, нам необходимо понять энергетический баланс внутри коллектора: поглощенная энергия — потери.

    Энергетический баланс также можно выразить с помощью следующего ключевого уравнения:

    \ [{Q_u} = {A_c} [S — {U_L} ({T_ {plate}} — {T_ {ambient}})] \]

    , где S — поглощенное солнечное излучение, U L — общие потери, T пластина — температура поглощающей пластины, а T окружающей среды — температура воздуха, а А c опять же площадь поверхности коллектора.

    Это уравнение является краеугольным камнем анализа баланса энергии, представленного в главе 6 учебника Даффи и Бекмана. Чтобы реализовать этот вопрос, нам нужно понять, как можно получить количества S и U L . Наиболее полное объяснение можно найти в следующем чтении.

    Задание по чтению

    Просмотрите следующий раздел учебника D&B, чтобы понять способы оценки поглощенного излучения S на поверхности коллектора

    Даффи, Дж.А., Бекман В.А., Солнечная инженерия тепловых процессов, Wiley and Sons, 2013 г., глава 5, раздел 5.9 (3 страницы).

    Уравнения (5.9.1) и (5.9.3) в приведенном выше прочтении обеспечивают основу для оценки поглощенного излучения в зависимости от того, какая исходная информация о падающем излучении доступна.

    В общем случае, когда доступны измерения падающего солнечного излучения ( I T ), удобное приближение для поглощенной энергии дается выражением:

    \ [S = {(\ tau \ alpha) _ {av}} {I_T} \]

    , где ( τα ) av — это произведение коэффициента пропускания крышки коллектора и коэффициента поглощения пластины, усредненного по разным типам излучения.Фактически, (τα) ср ≈ 0,96 ( τα ) пучок исходя из практических оценок.

    Теперь посмотрим, как определить радиационные потери. См. Следующее чтение.

    Задание по чтению

    Даффи, Дж. А., Бекман, В. А., Солнечная инженерия тепловых процессов, Wiley and Sons, 2013 г., глава 6, разделы 6.1–6.4 (18 страниц).

    В этих разделах книги объясняются модель и допущения для анализа плоского коллектора.Тепловые потери специально рассматриваются в Разделе 6.4, и вы можете покопаться в полном выводе и примерах. Практический интерес представляют графики на рис. 6.4.4, которые описывают результаты модельных расчетов коэффициента тепловых потерь в зависимости от температуры пластины.

    Еще одним полезным результатом этой главы является эмпирическое уравнение (6.4.9), которое предлагает алгебраический метод нахождения потерь от верхней части коллектора. У вас будет возможность поближе познакомиться с этим уравнением и увидеть, как оно работает дальше, в этом упражнении урока.

    Теперь, когда определены поглощенное излучение и потери, можно определить прирост полезной энергии с помощью уравнения баланса энергии, приведенного выше.

    Расчет мощности солнечной панели

    Как рассчитать мощность солнечной панели — часто задаваемый вопрос домовладельцев. Это имеет смысл, учитывая влияние производства солнечных панелей на всю систему. Чтобы точно рассчитать выходную мощность ваших солнечных панелей, необходимо выполнить несколько шагов и несколько переменных.

    Некоторые из наиболее важных факторов при определении производительности вашей солнечной панели включают:

    • Эффективность ваших солнечных панелей
    • Местоположение (сколько солнечного света попадает на ваши солнечные панели)
    • В каком направлении обращены ваши солнечные панели

    Конечно, есть и другие переменные, которые также могут изменить окончательное число выходных данных, но три вышеупомянутых являются основными факторами.Мы рассмотрим каждый из них в этом посте, а также дадим формулу для точного расчета мощности солнечной панели.

    Как измерить мощность солнечной панели

    Каковы стандартные условия испытаний?

    Хорошее место для начала — понимание параметров, которые определяют номинальную мощность солнечной панели. Сколько ватт может производить ваша солнечная панель, может составлять от 250 до 370 ватт.

    Означает ли это, что ваша система все время будет генерировать именно такое количество? Не совсем.Вот здесь и появляются эти переменные. Но показатель эффективности солнечной панели — это показатель того, сколько ватт может вырабатывать ваша солнечная панель в идеальных условиях.

    Эти идеальные условия моделируются в лаборатории, где испытываются солнечные панели, известной как стандартные условия испытаний (STC). Стандартные условия испытаний для мощности солнечной панели означают, что ваша солнечная панель работает при температуре 77 градусов по Фаренгейту, в то время как на панель падает 1000 Вт солнечного света на квадратный метр.

    Итак, в этих идеальных условиях 250-ваттная солнечная панель будет производить 250 ватт электроэнергии.Этот стандарт — хороший способ гарантировать, что все солнечные панели при производстве соответствуют определенным критериям. Что касается того, насколько хорошо они работают в естественных условиях, давайте рассмотрим некоторые из этих переменных.

    КПД панели солнечных батарей

    Что такое КПД панели солнечных батарей? В то время как мощность может сказать вам, что ваша солнечная панель способна производить в идеальных условиях, эффективность говорит вам, сколько солнечного света ваша солнечная панель способна преобразовывать в электричество, которое вы можете использовать в своем доме.

    Например, если ваша солнечная панель имеет рейтинг эффективности 13 процентов, это означает, что 13 процентов солнечного света, падающего на вашу солнечную панель, будут преобразованы в энергию, необходимую для поджаривания хлеба или стирки.

    На эффективность солнечных панелей могут влиять несколько переменных, которые могут либо подавлять, либо повышать ее. Внутри самих солнечных элементов эффективность может варьироваться в зависимости от того, насколько они отражают. Менее отражающие клетки могут собирать больше солнечного света и использовать его, а не возвращать в космос.

    Область вокруг вашей системы солнечных панелей на крыше также может изменить ваши показатели эффективности. Наиболее распространенные факторы окружающей среды, которые могут снизить эффективность:

    • Затенение от ближайших деревьев или других зданий
    • Чрезмерная облачность
    • Чрезмерная грязь, пыль и загрязнение
    • Толстые слои снега

    Есть некоторые моменты, на которые следует обратить внимание о каждом из них. Затенение, как правило, является довольно очевидным препятствием для эффективности, и его следует избегать, если это вообще возможно.Подрезка деревьев и установка солнечных батарей, чтобы избежать затенения от других близлежащих построек, помогут.

    Облачность не означает, что солнечный свет не попадет на ваши солнечные панели, но, очевидно, их количество уменьшится.

    Грязь, пыль и загрязнения могут со временем снизить эффективность солнечных панелей. Дождь — это естественный и простой способ их смыть. Если вы живете в особенно засушливом регионе, где мало осадков и много пыли, вы можете очистить солнечные панели самостоятельно или нанять кого-нибудь, кто сделает это за вас.

    Хотя это правда, что слишком много сильного снега может снизить эффективность, немного снега на самом деле хорошо, потому что любая пыль, грязь и загрязнения будут цепляться за него и соскальзывать с гладких панелей, когда снег тает. Кроме того, как и большинство электронного оборудования, солнечные панели хорошо работают в более прохладных условиях.

    Определение размеров солнечной тепловой батареи

    Для начала нам нужно скрыть суточный расход (из таблицы выше) с галлонов в день на BTU в день. BTU (британская тепловая единица) — это отраслевой стандарт тепловой энергии.

    Требуется 8,34 БТЕ для повышения температуры 1 галлона воды на 1 градус F.

    При использовании солнечного контура в качестве предварительного нагревателя для существующего котла нам потребуется нагреть каждый галлон воды, взятой из водопровода / колодца, от его входящей температуры (карта выше или измерения на месте) до типичной желаемой уставки 135F .

    Чтобы определить BTU, необходимый для нагрева одного галлона воды в вашем регионе, вычтите температуру воды в колодце из заданной температуры, а затем умножьте разницу на 8.34.

    Примеры:

    Южная Флорида: (135F — 77F) * 8,34 BTU = 484 BTU
    Северный Мэн: (135F — 42F) * 8,34 BTU = 776 BTU

    Затем умножьте BTU на количество галлонов воды, которое вам нужно будет нагревать каждый день (ваш дневной расход), чтобы определить общее количество BTU, которое ваша солнечная тепловая система должна будет вырабатывать каждый день.

    Примеры:

    Южная Флорида (20 г / день): 20 г * 484 БТЕ / г = 9680 БТЕ / день
    Северный Мэн (20 г / день): 20 г * 776 БТЕ / г = 15 520 БТЕ / день

    Определите требуемую площадь коллектора

    Чтобы получить общую долю солнечной энергии в 60-70% (оптимальный размер) вашей солнечной тепловой системы, мы должны согласовать нагрузку на нагрев с мощностью солнечной батареи в ясный летний день.Существенным преимуществом такого выбора размера вашей системы (на основе выходных данных в летнее время) является то, что вы создадите систему, которая будет работать с максимальной производительностью, не достигая температуры застоя (которая может повредить компоненты и вывести систему из строя).

    При определении мощности коллектора для этих расчетов следует использовать «Категория C» из отчета о сертификации SRCC OG-100.

    Вы можете увидеть выходную мощность солнечных коллекторов SunMaxx в БТЕ / фут2 ниже:

    • Плоские коллекторы
      • TitanPower-Plus-SU2 | 1173 БТЕ / фут2
      • TitanPower-Plus-SU2.4 | 1147 БТЕ / фут2
      • TitanPower-AL2 | 987 БТЕ / фут2
      • TitanPower-AL2DH | 987 БТЕ / фут2
    • Коллекторы вакуумные
      • ThermoPower-VHP10 | 1295 БТЕ / фут2
      • ThermoPower-VHP20 | 1325 БТЕ / фут2
      • ThermoPower-VHP25 | 1328 БТЕ / фут2
      • ThermoPower-VHP30 | 1333 БТЕ / фут2

    Используя эти выходные измерения, мы можем определить, сколько квадратных футов коллектора нам потребуется, чтобы нагреть один галлон воды.

    Для этого расчета используйте формулу ниже:

    Соотношение размеров = 1,15 * 8,34 * (X — Y) / Z

    • X — заданная температура (обычно 135F)
    • Y — температура воды в колодце / водопроводе
    • Z — номинальное значение в БТЕ / фут2 солнечного коллектора
    • Примечание: 1,15 используется для увеличения размера на 15% для учета потери эффективности в трубопроводах, накопительном баке, теплообменнике и т. Д.

    Пример:

    TitanPower-Plus-SU2 в Южной Флориде

    Коэффициент

    = 1.15 * 8,34 * (135 — 77) / 1173

    Коэффициент

    = 556/1173

    Соотношение = 0,47 фут2 / галлон

    Используя свой коэффициент, теперь вы можете определить общий фут2 вашей солнечной коллекторной батареи, умножив общее количество галлонов в день, которое вам необходимо для обогрева, на коэффициент, который вы только что рассчитали.

    Разделите общий фут2 вашего массива на площадь апертуры солнечного коллектора, чтобы определить количество солнечных коллекторов, необходимых для вашего массива, и вы успешно определили размер своей солнечной батареи.

    Урок 3: Солнечные водонагревательные системы; Размещение и калибровка

    Введение

    Видимый свет ( инсоляция ) — это основной источник энергии, собираемый системами, которые обеспечивают тепло помещений, тепло воды и электричество для домов.Из-за наклона оси Земли количество солнечной инсоляции, падающей на любую точку на поверхности Земли, меняется в течение года. Ежедневно и сезонно количество световой энергии, падающей на поверхность, изменяется от восхода до захода солнца. Атмосферные условия и высота над уровнем моря также являются факторами, влияющими на количество света, достигающего поверхности Земли.

    Для участков выше и ниже экватора сезонные колебания обычно отмечаются весенним и осенним равноденствиями, а также летним и зимним солнцестоянием.Равноденствия определяются как время года, когда солнце пересекает экватор (март и 21/22 сентября). В это время наблюдается равное количество часов светового дня и ночи. Летнее и зимнее солнцестояние определяются как время, когда солнце достигает своей самой высокой / самой низкой широты. В северных широтах летнее солнцестояние приходится на 21/22 июня, а зимнее солнцестояние — 21/22 декабря. Летнее солнцестояние — это дата, когда количество световых часов самое длинное, а зимнее солнцестояние — самое короткое количество световых часов.В южном полушарии солнцестояние как раз наоборот.

    Перед установкой солнечной водонагревательной системы вы должны сначала рассмотреть солнечный ресурс участка, так как эффективность и конструкция солнечной водонагревательной системы зависят от того, сколько солнечной энергии достигает строительной площадки. Вам также необходимо правильно подобрать размер системы, чтобы обеспечить потребности дома в горячей воде. В этом уроке вы узнаете, как разместить и определить размер солнечной водонагревательной системы.

    Энергетические расчеты и единицы

    Мы должны уметь измерять и сравнивать энергию и другие величины, чтобы иметь возможность оценить размер солнечных водонагревательных и солнечных электрических систем.Следовательно, нам необходимо понять, какие энергетические расчеты и единицы измерения энергии мы используем для этих оценок.

    Таблица преобразования

    Определения:

    Тепло:
    Британская тепловая единица (БТЕ): количество энергии, необходимое для подъема 1 фунта воды на 1 градус Фаренгейта

    Therm: 100000 британских тепловых единиц

    DekaTherm (DKT) : 1 000 000 британских тепловых единиц
    Природный газ содержит около 1 датской тонны энергии на 1000 кубических футов газа.

    Электроэнергия и энергия
    1 Ватт = 1 Вольт * 1 Ампер в чисто резистивных цепях

    1000 Вт = 1 киловатт (кВт) (это мощность)

    1 кВт * 1 час = 1 киловатт-час (это энергия)

    В начало

    Размещение солнечной водонагревательной системы

    Географическая ориентация и наклон коллектора могут влиять на количество солнечного излучения, которое получает система.

    Солнечные водонагревательные системы используют как прямое, так и рассеянное солнечное излучение. Несмотря на более холодный северный климат, Пенсильвания по-прежнему предлагает достаточные солнечные ресурсы. Как правило, если место установки не затемнено с 9 до 15 часов. и выходит на юг, это хороший кандидат на установку солнечной водонагревательной системы.

    PVWatts (www.pvwatts.org) — полезный онлайн-калькулятор, который помогает понять солнечный ресурс в данном месте. В таблице ниже показаны средние летние, зимние и годовые значения солнечной радиации для Уилкс-Барре, штат Пенсильвания.PVWatts может помочь вам определить солнечный ресурс, доступный на вашем конкретном участке, а также помочь вам оценить размер солнечной системы, необходимой для обеспечения необходимой солнечной энергии для солнечных водонагревательных или солнечных электрических систем. ( Совет: чтобы преобразовать киловатт-часы в британские тепловые единицы, умножьте на 3413. Чтобы преобразовать квадратные метры в квадратные футы, умножьте на 10,76 ).

    Среднесуточная солнечная радиация
    за январь и июль и ежегодно для различных углов наклона и азимута в Уилкс-Барре, штат Пенсильвания (кВтч / м2 / день)
    Источник: веб-сайт PV Watts
    www.pvwatts.org

    Угол наклона Азимутальный угол Январь июля Ежегодно
    25 180 2,50 5,58 4,19
    25 210 2.40 5,81 4,12
    25 270 1,72 5,52 3,59
    40 180 2,81 5,47 4,19
    40 210 2,66 5,45 4.09
    40 270 1,69 5,08 3,37
    55 180 2,89 4,82 3,98
    55 210 2,79 4,85 3,88
    55 270 1.62 4,55 3,09

    Ориентация коллектора
    Ориентация коллектора имеет решающее значение для достижения максимальной производительности от солнечной энергетической системы. В целом, оптимальная ориентация солнечного коллектора в северном полушарии — истинный юг (азимут 1800). Однако недавние исследования показали, что, в зависимости от местоположения и наклона коллектора, коллектор может смотреть на угол до 90 к востоку или западу от истинного юга без значительного снижения его производительности.

    Местные климатические условия могут сыграть значительную роль в выборе ориентации коллекторов на восток или запад от истинного юга, а также при определении правильного угла наклона коллекторов. Ориентация и наклон крыши зданий, факторы затенения, эстетика и местные условия также играют важную роль в установке оборудования для сбора солнечных систем.

    Вы также должны учитывать такие факторы, как ориентация крыши (если вы планируете установить коллектор на крыше), особенности местного ландшафта, которые затеняют коллектор ежедневно или сезонно, и местные погодные условия (например, туманное утро или облачный день), как эти факторы также могут повлиять на оптимальную ориентацию коллектора.

    Наклон коллекторов
    Большинство жилых солнечных коллекторов представляют собой плоские панели, которые можно установить на крыше или на земле. Называемые плоскими коллекторами , они обычно фиксируются в наклонном положении, соответствующем широте местоположения. Это позволяет коллекционеру лучше всего улавливать солнце. Эти коллекторы могут использовать как прямые солнечные лучи, так и отраженный свет, проходящий через облака или от земли. Поскольку они используют весь доступный солнечный свет, плоские коллекторы — лучший выбор для многих северных штатов.

    Оптимальный угол наклона солнечного коллектора — это угол, равный широте.

    Хотя оптимальным углом наклона коллектора является угол, равный широте, плоская установка коллектора на наклонной крыше не приведет к значительному снижению производительности системы и часто желательна по эстетическим соображениям. Однако вы захотите принять во внимание угол наклона крыши при определении размеров системы.

    Затенение
    Как упоминалось ранее, солнечные коллекторы следует устанавливать на участке, не затененном с 9 а.м. до 15:00 и смотрит на юг. Затенение от гор, деревьев, зданий и других географических объектов может значительно снизить производительность коллектора. Перед установкой солнечной энергетической системы вы должны сначала составить схему движения солнца, чтобы оценить влияние затенения на годовую производительность системы.

    В начало

    Расчет солнечной водонагревательной системы

    Чтобы правильно определить размер солнечной водонагревательной системы, вам необходимо определить общую площадь коллектора и объем хранилища, необходимые для удовлетворения от 90 до 100 процентов потребностей домашнего хозяйства в горячей воде в летний период.Одним из доступных программных средств для расчета размеров солнечной системы водяного отопления является RetScreen (www.retscreen.net/ang/home.php). Если вы планируете проектировать несколько систем солнечного нагрева воды, вы можете загрузить программное обеспечение для горячего водоснабжения с сайта www.retscreen.net/ang/t_software.php. Это программное обеспечение можно использовать для определения размеров солнечных водонагревательных систем, и мы будем использовать его для проверки приведенного ниже примера расчета практических правил.

    Размер коллекторной площади
    Хорошее практическое правило для определения размера коллекторной площади в северных климатических условиях, например в Пенсильвании, заключается в том, чтобы оставить 20 квадратных футов (2 квадратных метра) площади коллектора для каждого из первых двух членов семьи и от 12 до 14 квадратных метров. футов для каждого дополнительного человека.

    Определение объема хранения
    Небольшого (от 50 до 60 галлонов) резервуара для хранения обычно достаточно для одного-двух человек. Средний (80 галлонов) резервуар для хранения хорошо подходит для трех-четырех человек. Большой бак (120 галлонов) подходит для четырех-шести человек.

    Для активных солнечных водонагревательных систем размер солнечного накопителя увеличивается с размером коллектора, обычно 1,5 галлона на квадратный фут коллектора. Это помогает предотвратить перегрев системы при низкой потребности в горячей воде.

    На веб-сайте Solar Rating and Certification Corporation результаты тепловых характеристик протестированных солнечных коллекторов можно найти по адресу www.fsec.ucf.edu/solar/testcert/collectr/tprdhw.htm. На сайте есть данные о производительности в диапазоне температур, который подходит для выбора коллектора для нагрева потребности в горячей воде. Ниже приводится страница с этого сайта. Имейте в виду, что эти коллекционеры сертифицированы в соответствии с условиями Флориды. Чтобы выбрать правильный размер коллектора для Пенсильвании, необходима процедура проб и ошибок.


    Сертификат коллектора (A)


    Коллектор


    Остекление


    Абсорбер

    Площадь брутто

    Тепловые характеристики
    Промежуточный номинальный температурный режим

    Производитель

    Модель

    ФСЭК №

    Тип

    Материал

    Покрытие

    кв. Ft

    БТЕ / день

    БТЕ / фут²

    ACR Solar International Corp

    Скайлайн 20-01

    00030

    1

    Прозрачный жесткий пластик

    Медные трубы и ребра

    Выборочный

    20.07

    14800

    736

    ACR Solar International Corp

    Скайлайн 10-01

    00212C

    1

    Прозрачный жесткий пластик

    Медные трубы и ребра

    Выборочный

    10.00

    7500

    747

    AMK-Collectra AG


    OPC 10 MK-III

    00083

    1


    Вакуумная стеклянная трубка

    Медные трубы и алюминиевые ребра

    Выборочный

    15.67

    12500

    800

    Alfa Casting Corp

    * AC-419

    83128

    1

    Стекло

    Медные трубы и алюминиевые ребра

    Неселективный

    18.41

    14200

    770

    Alfa Casting Corp

    * ACC-419

    83129

    1

    Стекло

    Медные трубы и ребра

    Неселективный

    18.41

    16400

    893

    Альтернативные энергетические технологии, ООО

    АЕ-21

    00081N

    1

    Стекло

    Медные трубы и ребра

    Выборочный

    20.77

    17600

    849

    Альтернативные энергетические технологии, ООО

    АЕ-26

    00088N

    1

    Стекло

    Медные трубы и ребра

    Выборочный

    25.35

    21700

    856

    Альтернативные энергетические технологии, ООО

    АЕ-32

    00089N

    1

    Стекло

    Медные трубы и ребра

    Выборочный

    31.91

    27500

    862

    Альтернативные энергетические технологии, ООО

    АЕ-40

    00090N

    1

    Стекло

    Медные трубы и ребра

    Выборочный

    39.79

    34400

    866

    Альтернативные энергетические технологии, ООО

    AE-32-E

    00036C

    1

    Стекло

    Медные трубы и ребра

    Умеренно селективный

    31.85

    22300

    701

    Альтернативные энергетические технологии, ООО

    AE-40-E

    00037C

    1

    Стекло

    Медные трубы и ребра

    Умеренно селективный

    39.71

    27900

    704

    Альтернативные энергетические технологии, ООО

    ST-32E

    00119C

    1

    Стекло

    Медные трубы и ребра

    Умеренно селективный

    30.91

    22900

    742

    Альтернативные энергетические технологии, ООО

    ST-40E

    00120C

    1

    Стекло

    Медные трубы и ребра

    Умеренно селективный

    38.62

    28400

    735

    Альтернативные энергетические технологии, ООО

    МСК-21

    00213N

    1

    Стекло

    Медные трубы и ребра

    Выборочный

    21.50

    17400

    810

    Альтернативные энергетические технологии, ООО

    МСК-32

    00214N

    1

    Стекло

    Медные трубы и ребра

    Выборочный

    32.67

    27200

    833

    Альтернативные энергетические технологии, ООО

    МСК-40

    00215N

    1

    Стекло

    Медные трубы и ребра

    Выборочный

    42.15

    35100

    833

    American Solar Network, Ltd.

    ASN30A

    89011

    1

    Прозрачный жесткий пластик

    EPDM, стабилизированный УФ-излучением

    Нет

    31.17

    21100

    676

    American Solar Network, Ltd.

    ASN45A

    89018C

    1

    Прозрачный жесткий пластик

    EPDM, стабилизированный УФ-излучением

    Нет

    46.50

    31600

    680

    American Solar Network, Ltd.

    ASN60A

    C

    1

    Прозрачный жесткий пластик

    EPDM, стабилизированный УФ-излучением

    Нет

    61.83

    41600

    673

    Apricus Solar Co., Ltd.

    АП-10

    00202N

    1

    Вакуумная стеклянная трубка

    Стеклянный цилиндр

    Выборочный

    14.45

    8500

    589

    Apricus Solar Co., Ltd.

    АП-20

    00106N

    1

    Вакуумная стеклянная трубка

    Стеклянный цилиндр

    Выборочный

    29.16

    17300

    594

    Apricus Solar Co., Ltd.

    АП-22

    00203N

    1

    Вакуумная стеклянная трубка

    Стеклянный цилиндр

    Выборочный

    32.11

    19100

    594

    Apricus Solar Co., Ltd.

    АП-30

    00204N

    1

    Вакуумная стеклянная трубка

    Стеклянный цилиндр

    Выборочный

    43.63

    27600

    636

    Aqua Sol Components Ltd.

    6536

    00068

    1

    Стекло

    Медные трубы и алюминиевые ребра

    Неселективный

    36.46

    Термосифонная система
    Поставленная полезная энергия:
    27,300 БТЕ
    Коэффициент тепловых потерь:
    3,7 БТЕ / ч ° F

    * Скорость потока через солнечный коллектор влияет на его производительность, но может или не может влиять на производительность системы, в которой он установлен. Некоторые из перечисленных здесь коллекторов были протестированы при расходах, отличных от указанных в стандартах тестирования.Эти модели коллектора помечены звездочкой (*) непосредственно перед номером модели.

    Сравнивая суточную потребность в тепле для горячей воды с тестируемыми показателями тепловой производительности коллектора, мы хотим выбрать солнечные коллекторы, которые будут производить 45 081 БТЕ / день. Заглянув в столбец БТЕ / день, мы видим, что нам потребуются два коллектора, чтобы соответствовать нашей нагрузке, каждый из которых может обеспечить около 22 541 БТЕ / день.Коллектор AE-32 от компании Alternate Energy Technologies рассчитан на 27 500 БТЕ / день. Каждый из этих коллекторов имеет площадь около 32 квадратных футов. Этот пример выгодно отличается от представленных ранее общих рекомендаций по количеству солнечных коллекторов для установки 20 квадратных футов площади коллектора для первых двух человек и 12 квадратных футов для каждого дополнительного жильца.

    Для Пенсильвании резервуар для хранения воды, соединяющий с солнечным коллектором площадью 64 квадратных фута, должен иметь размер не менее 80 галлонов, но лучше использовать резервуар емкостью более 90 галлонов.

    В начало

    Вопросы

    1. Используя программное обеспечение RETScreen, коллекторы AET AE-32 будут производить 0,98 МВтч с июня по август, или 36 347 БТЕ в сутки. Это не соответствует нашей расчетной нагрузке на нагрев воды, поэтому нам нужно выбрать другой коллектор. Поскольку у нас дефицит около 8 734 БТЕ в день, или 24%, нам нужно выбрать коллекционеров примерно на 24% больше, чем наша первоначальная оценка. Мы попробуем коллектор AET AE-40 площадью 40 квадратных футов. Используя программу RET Screen, мы видим, что коллекторы AE-40 произведут 1.08 МВтч с июня по август или около 40 055. Что случилось? Почему мы увеличиваем площадь солнечного коллектора на 25% и получаем только на 10% больше горячей воды? Ответ заключается в том, что, когда количество произведенной энергии приближается к количеству используемой энергии, эффективность системы падает, потому что более высокие температуры системы приводят к большим потерям тепла. Система с двумя коллекторами AE-32 имеет КПД системы 35 процентов, обеспечивая при этом 86% энергии, необходимой в летнее время (86% называется солнечной фракцией).Система с двумя коллекторами AE-40 имеет КПД 31%, обеспечивая при этом 95% энергии, необходимой в летнее время. Помните, мы начали с того, что рассчитали систему, чтобы обеспечить 100% энергии для нагрева воды в летнее время.

      Другой параметр конструкции системы, на который нам нужно обратить внимание, — это размер солнечного резервуара для хранения воды. Предыдущий анализ был выполнен с использованием RETScreen с учетом резервуара на 120 галлонов. Каковы были бы КПД и доля солнечной энергии, если бы мы установили резервуар для хранения на 80 галлонов? Модель RETScreen предсказывает, что при использовании резервуара для хранения емкостью 80 галлонов доля солнечной энергии снижается до 93%, а эффективность в летнее время остается на уровне 31%.Таким образом, резервуар меньшего размера снижает долю солнечной энергии в системе.

      Как наша система работает ежегодно?

      Среднесуточная солнечная радиация
      за январь и июль и ежегодно для различных углов наклона и азимута в Уилкс-Барре, Пенсильвания (кВтч / м2 / день)
      Источник: веб-сайт PV Watts
      www.pvwatts. org

      Угол наклона Азимутальный угол Январь июля Ежегодно
      25 180 2.50 5,58 4,19
      25 210 2,40 5,81 4,12
      25 270 1,72 5,52 3,59
      40 180 2,81 5,47 4.19
      40 210 2,66 5,45 4,09
      40 270 1,69 5,08 3,37
      55 180 2,89 4,82 3,98
      55 210 2.79 4,85 3,88
      55 270 1,62 4,55 3,09
    2. Используя данные для Уилкс-Барре в приведенной выше таблице, какова разница в процентах между среднегодовой дневной солнечной инсоляцией, падающей на поверхность, обращенную на истинный юг (азимутальный угол 1800) с наклоном 25 градусов по сравнению с наклоном 55 градусов? Для наклона на 25 градусов по сравнению с поверхностью, наклоненной на 40 градусов?
    3. Какова разница в процентах между среднегодовым значением для поверхности, наклоненной на 25 градусов и обращенной на истинный юг, и той же поверхности, с таким же наклоном, но с азимутальным углом 210 градусов?
    4. Какова разница в процентах между среднегодовым значением для поверхности, наклоненной на 25 градусов и обращенной на истинный юг, и той же поверхности, такого же наклона с азимутальным углом 270 градусов? Для поверхностей с уклоном 40 и 55 градусов?
    5. Учитывая процентные различия, указанные в вопросе 3, какой угол наклона более разумно принять, если у вас не было другого выбора, кроме как установить солнечную систему с азимутальным углом 270 градусов? Пожалуйста, объясните свой ответ.
    6. Если бы вы жили в Уилкс-Барре и хотели максимально улавливать солнечную инсоляцию зимой, с какими углами наклона и азимута вы бы установили солнечные коллекторы? И наоборот, если вы хотите максимизировать летний сбор солнечной энергии, под каким углом наклона и азимута вы бы установили солнечные коллекторы?
    7. В примере определения размеров солнечной системы общая суточная потребность в тепловой энергии для 80 галлонов горячей воды была рассчитана на уровне 45 081 британских тепловых единиц. Какова была бы общая потребность в тепловой энергии для 80 галлонов при температуре горячей воды 1400F и той же температуре холодной воды?
    8. Какова будет потребность в дополнительной энергии для 80 галлонов горячей воды при температуре горячей воды, установленной на уровне 1200F, и солнечной системе нагрева воды, обеспечивающей 1000F воды на входе холодной воды обычного водонагревателя для бытового горячего водоснабжения? При расчете принимайте тепловые потери для установленной температуры 120 градусов от обычного нагревателя.

      Добавить комментарий

      Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

      2019 © Все права защищены.