Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Національна Академія Наук України
Інститут загальної енергетики
РАБІНОВИЧ МИХАЙЛО ДАВИДОВИЧ
УДК 662.997:537.22
НАУКОВО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ
ВИКОРИСТАННЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ
В СИСТЕМАХ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ
Спеціальність: 05.14.01. –Енергетичні системи та комплекси
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ -2001
Дисертацію є рукопис.
Робота виконана в Проблемному інституті нетрадиційних енерготехнологій та інжинірінгу,
м. Київ
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, Драганов Борис Харлампійович, Національний аграрний університет, професор кафедри теплоенергетики;
доктор технічних наук, професор Шурчков Анатолій Васильович, Інститут технічної теплофізики НАН України, завідувач відділу проблем тепловикористання;
член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук Рєзцов Віктор Федорович, Інститут електродинаміки НАН України, керівник відділення комплексних енергетичних систем з відновлювальними джерелами енергії.
Провідна установа –Національний технічний університет "Київський політехнічний інститут", Інститут енергозбереження та енергоменеджменту, м. Київ
Захист відбудеться "31" травня 2001р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.223.01 в Інституті загальної енергетики НАН України за адресою:
, м. Київ-57, пр. Перемоги,56, тел. 417-01-42
З дисертацією можна ознайомитись у Інституті загальної енергетики НАН України
Автореферат розісланий "27" квітня 2001р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Мельничук Л.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Використання НВДЕ є одним із шляхів підвищення енергетичної безпеки України, який знаходить своє місце в розвитку енергетичного комплексу країни. Серед різних напрямків впровадження НВДЕ використання сонячної енергії для теплопостачання займає провідне місце з огляду на постійне зростання вартості копального палива, сприятливі кліматичні умови, що дозволяють створювати такі системи в будь-якому місці країни, наявність кваліфікованих кадрів, ресурсної та технологічної бази і досвід опрацювання значної кількості експериментальних об'єктів, які мають прийнятні терміни окупності. Вітчизняний і зарубіжний досвід засвідчує можливість економії 25-40% органічного палива при впровадженні систем сонячного теплопостачання, а у зв'язку з тим, що основна частина теплової енергії виробляється за рахунок спалювання органічного палива, використання сонячної енергії одночасно з його економією зменшує забруднення навколишнього середовища продуктами згоряння, а також теплове. Загальна кількість сонячної радіації, що надходить на територію країни, - 720 млрд. МВтЧгод на рік - набагато перевищує як сучасні так і майбутні потреби у енергії.
Національна енергетична програма України передбачає до 2010р. довести загальну потужність ССТ до 1850 МВт, що потребує встановлення більше 9,0 млн. м2 сонячних колекторів, і має дати економію біля 1 млн. т.у.п. на рік. Для реалізації завдань програми необхідно перейти від створення незначного числа експеріментальних і демонстраційних ССТ до їхнього масового впровадження в практику житлового, промислового та сільськогосподарського будівництва. Це потребує створення необхідної нормативно-методичної бази, яка має відповідне науково-технічне обґрунтування. Вона повинна спиратися на діючу практику проектування і будівництва і, по можливості, максимально використовувати наявні нормативні і довідкові документи та результати завершених розробок в цій галузі.
Аналіз світового досвіду реалізації, методів розрахунку та принципових схем ССТ, їх взаємозв'язку із призначенням і умовами експлуатації встановив, що:
- у різних країнах світу розроблені і випробувані численні ССТ але їх різноманіття не дозволяє зробити однозначний висновок про ефективність тих або інших систем в умовах України;
- непередбачуваність кліматичних факторів утрудняє проведення в натурних умовах порівняльних випробувань експлуатаційних характеристик систем, а використання математичних моделей дозволяє проводити їх в ідентичних умовах, значно скоротивши вартість і терміни досліджень. Методи розрахунку сонячних установок як єдиної системи теплопостачання, доступної для використання у вітчизняній практиці проектування і техніко-економічних розрахунків дотепер відсутні;
- напрямками підвищення ефективності ССТ може бути використання теплонасосних установок та зміна режиму інсоляції СК шляхом зміни просторового положення. В даний час вплив просторових характеристик СК на їх теплопродуктивність досліджено лише частково для окремо розташованих нерухомих СК .
Серед багатьох фахівців найбільший вклад в розробку питань сонячного теплопостачання в нашій країні та за рубежем внесено Р. Авезовим, Р. Байрамовим, Б. Тарніжевським, О.Фертом, Г. Умаровим, Дж. Даффи, У. Бекманом, С. Клейном і іншими. В цих роботах розглянуто процеси перетворення енергії СР в теплоту та розроблені методи розрахунку окремих елементів що дозволяє провести комплексні дослідження ССТ та створити науково-методичну базу для їх масового впровадження.
Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження, проведені дисертантом, виконані за завданнями ДКНТ СРСР та ДКНТП України, Держбуду СРСР та Держбуду України і Держкоменергозбереження України в рамках державних програм по використанню НВДЕ в народному господарстві: завдання 01 програми ДКНТ СРСР 0.01.08 “Створити і впровадити сонячні, геотермальні, вітрові установки та обладнання для виробництва тепла і електроенергії”, у 1986-1990р. - завдання 04 підпрограми РН.01.17Ц, програми РН.Ц.001, затвердженої Постановою Совміну УРСР від 11.07.86р. N270, а також у 1993-95р. - програми ДКНТП України 05.21.04 “Нетрадиційні джерела енергії (в т.ч. сонячні, вітрові, електрохімічні та ін.)”, у 1997-2000рр. розділу "Сонячна енергетика" Програми державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії та малої гідро- і теплоенергетики, затвердженої Кабміном України (постанова від 31.12.97 №1505).
В рамках виконання завдань цих програм підготовлено більш ніж 30 звітів по НДР на результатах яких базується дисертаційна робота, серед яких найважливіші за останні роки наступні: Провести аналіз стану розвитку систем сонячного теплопостачання в Україні і зробити пропозиції щодо їх використання у теплопостачанні об'єктів агропромислового комплексу (1996р., № ДР 0195V022472); Розробка розділів Програми державної підтримки розвитку нетрадиційних і відновлювальних джерел енергії (1997р., № ДР 0197V 013718); Провести дослідження, розробити технічні рішення і рекомендації щодо проектування, монтажу та експлуатації систем сонячного теплопостачання (1998р., № ДР 0195V 022043). Усі роботи виконувались під керівництвом автора або за його участю.
Мета роботи –розробка і науково-технічні обгрунтування нормативно-методичної бази ефективного впровадження сонячної енергії в системи теплопостачання об'єктів масового будівництва для зменшення витрат палива і забруднюючих викидів, яке базується на поєднанні засобів математичного і фізичного моделювання для виконання і узагальнення порівняльних розрахунків систем та обладнання, аналізу впливу окремих чинників та оптимізації техніко-економічних показників.
Досягнення поставленої мети вимагає вирішення наступних задач:
- розробки методики використання наявної довідкової бази кліматичних даних метеостанцій для розрахунків ССТ на всій території України;
- встановлення залежності кількості поглиненої сонячним колектором (СК) сонячної радіації від їхнього просторового положення і розробки рекомендацій по їхньому раціональному розташуванню на обмежених площах;
- дослідження впливу кліматичних умов, схемних рішень, режимів експлуатації і параметрів основного устаткування ССТ на їх теплопродуктивність і економію палива, що досягається;
- визначення техніко-економічної ефективності різних типів ССТ для підготовки рекомендацій по їх масовому впровадженню.
Наукова новизна досліджень і отриманих результатів полягає в наступному:
- вперше запропоновано при зонуванні території по кліматичним параметрам використовувати статистичні характеристики їх розподілу –для будь-якого пункту зони величина параметру повинна належати довірчому інтервалу значень, знайденому для пункта-представника даної зони;
- набули подальшого розвитку математичні моделі, які використовуються для розрахунків впливу взаємного затінення і залежності кількості падаючої і поглиненої сонячної радіації нерухомими СК при їх розташуванні паралельними рядами на горизонтальній площині обмеженої площі шляхом їх удосконалення для розрахунків нерухомих СК, які розміщуються на похилій площині, та для розрахунків СК із змінною орієнтацією;
- удосконалені можливості підвищення теплопродуктивності СК шляхом дискретної зміни їх орієнтації за рахунок вперше запропонованого використання оптичних властивостей світлопрозорого покриття СК для оптимізації просторових характеристик та режимів зміни орієнтації колекторів;
- при моделюванні теплофізичних процесів в елементах системи вперше для СК і теплообмінників, що поєднуються з баком-акумулятором, складено математичні моделі, які використовують e-NTU- метод для зменшення кількості змінних та спрощення моделей;
- набула подальшого розвитку методологія імітаційного моделювання експлуатаційних режимів роботи ССТ, що базується на поєднанні експериментальних та розрахункових досліджень, шляхом розширення досліджуваних типів систем та обладнання, для яких складено математичні моделі, кліматичних умов, режимів навантаження і т.і.;
- вперше показано, що довготерміновий (річний, сезоний) ккд використання енергії СР в ССТ головним чином залежить від схемних рішень, параметрів обладнання і режимів навантаження і з заданим ступенем точності для всіх кліматичних зон України можно вираховувати одне його значення;
- для оцінки техніко-економічної ефективності ССТ вперше запропоновано безрозмірний критерій, що враховує кліматичні умови місця будівництва, технічні характеристики системи, вартість будівництва і експлуатації, та вартість палива (енергії), що заміщується.
Практична цінність результатів роботи полягає в наступному:
- складено інженерні методики розрахунку і проектування ССТ, розроблені технічні рішення і розраховані експлуатаційні характеристики широкого класу ССТ, призначених для об'єктів масового будівництва і населених місць;
- для використання в розрахунках вихідних наявних метеоданих по сонячній радіації територія України розділена на 3 зони і для кожної зони визначені пункти-представники. Для цих пунктів по розробленій методиці складені "типові роки", метеодані яких використовуються як осереднені для розрахунків ССТ у всіх населених пунктах, розташованих у межах зони;
- для нерухомих СК розроблена методика і виконано розрахунки кількості падаючої і поглиненої сонячної радіації для кожного місяця в залежності від широти місцевості, кута нахилу, азимутальної орієнтації і взаємного розташування;
- для СК, що дискретно переорієнтуються, знайдені кути нахилу і режими роботи (час і кількість переорієнтувань) для різних періодів року, що забезпечують максимальну кількість поглиненої сонячної радіації і розроблена методика їх інженерного розрахунку;
- розроблені і опробовані технологічні схеми УСГВ з природною циркуляцією, які дозволяють значно збільшити їх теплопродуктивність і розширити обсяги застосування;
- розроблена методика техніко-економічної оцінки ССТ, що дозволяє на стадіях розробки технічного обгрунтування провести попередній розрахунок очікуваної ефективності їх впровадження.
Реалізація результатів роботи. Основні результати теоретичних і експеріментальних досліджень використані при підготовці розділу "Сонячна енергетика" Програми державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії та малої гідро- і теплоенергетики, затвердженої Кабміном України (постанова від 31.12.97 №1505), розробці 5 нормативно-методичних документів, а також 7 типових, 19 експеріментальних і декількох десятків індивідуальних проектів, по яких побудовано більше 50 об'єктів різного призначення, що дозволяє забезпечити економію 350 т.у.п. на рік.
Особистий внесок автора. Наукові положення, що містяться в дисертації, отримані здобувачем самостійно. При проведенні експериментальних досліджень та випробувань на математичних моделях, стендах чи в натурних умовах автору належать постановка задач та розробка методичної частини роботи. Роботи [5-9, 12-22] виконані автором особисто, у [4] автором написані розділи по методиках розрахунку сонячної радіації установок і систем, у роботі [1] також розділи з даними досліджень і узагальнення досвіду натурних випробувань, у [3,11] автору належить постановка і математичне формулювання задачі. Інші роботи написані разом з однаковою особистою участю.
Апробація роботи. Матеріали роботи доповідалися на: Конференції АН СРСР “Пути использования солнечной энергии”(Черноголовка, 1981); Науково-технічних семінарах Геліотехнічної секції НТТ енергетиків і електротехніків у Києві (1982, 1983, 1988), Ялті (1989); Засіданні робочої групи по акумулюванню тепла Комітету по Європейському співробітництву ЮНЕСКО (Москва, 1985); Комітеті СЕВ по науково-технічному співробітництву (м. Ашхабад, 1986); Міжнародної конференції “Управління енерговикористанням”(Київ, 1995); Засіданні Європейської федерації сонячної індустрії (ESIF) (м. Дортмунд, Німеччина,1996); Московському сонячному самміті (міжрегіональна конференція в процесі підготовки Всесвітньої сонячної хартії, м. Москва, 1996); Міжнародних конференціях “Enercon” (Київ 1996, 1997); Конференції “Енергетична безпека України”(Київ, 1998); Міжнародному семінарі "Солнечная энергетика для теплоснабжения" (м. Софія, Болгарія, 2000); Міжнародній конференції "Нетрадиційна енергетика в XXI столітті" (м. Ялта, 2000).
Публікації. По темі дисертації опубліковано 37 друкованих робіт, у т.ч. 2 монографії, 2 нормативних документи, 3 методичних посібника. Новізна технічних рішень захищена 2 авторськими свідоцтвами.
Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота скдадається з вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку літератури з 191 найменувань і 3 додатків. Обсяг дисертації 287 сторінок основного тексту, 86 рисунків, 49 таблиць і 82 сторінок додатків.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність і важливість роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новізну та практичну цінність отриманих результатів.
У першому розділі проаналізовано методи розрахунку систем сонячного теплопостачання, проведено аналіз принципових схем ССТ, їх взаємозв'язку із призначенням і умовами експлуатації. Проаналізовано методи математичного моделювання ССТ і розроблена блок-схема послідовності їх моделювання і розрахунку, розглянуті існуючі математичні моделі елементів систем і процесів, що протікають. Дано огляд літератури по методах представлення кліматичної інформації в розрахунках ССТ і проаналізовані аналітичні моделі розрахунку інтенсивності падаючої і поглиненої колектором сонячної радіації.
Показано, що :
- найбільш поширений за рубежем для знаходження довгострокових характеристик ССТ f-метод розрахунку не зручний для проведення оптимізації, вимагає великого обсягу обчислень і в останні роки все більш широке застосування знаходить використання регресійних рівнянь для моделей ССТ, методологія якого розвивається автором більш 20 років;
- в даний час досить докладно досліджено вплив кута нахилу СК і визначені оптимальні значення цих кутів для різних періодів експлуатації. Результати отримані лише для нерухомих СК на горизонтальній площині. При їхньому розміщенні на обмеженій площі довільного нахилу де виникає затінення робочої поверхні СК іншими колекторами, що залежить від їхнього взаємного розташування, часу доби і року, розрахункові формули відсутні.
У зв'язку з цим необхідно провести відповідні дослідження і підготувати рекомендації для розрахунку;
- одним із шляхів збільшення кількості падаючої на колектор СР і підвищення його теплопродуктивності може бути зміна режиму інсоляції СК, яке досягається зміною його просторового положення. Плоскі колектора, що використовуються в ССТ, як правило розміщаються нерухомо, на відміну від колекторів-концентраторів з системою стеження за Сонцем, яка дозволяє збільшити кількість падаючої радіації до 45% за рік. Механізми для постійного слідкування є дорогі і складні пристрої, які не знайшли поширення в установках сонячного теплопостачання. Постійне стеження за ходом Сонця тільки по азимутальному куту забезпечує зростання падаючої СР до 40%, але теж досить дорого коштує. Компромісом можуть бути періодичні зміни орієнтації (дискретне переорієнтування) СК при сталому куту його нахилу до горизонту.
Для реалізації цієї можливості необхідно провести дослідження залежності кількості СР, поглиненої СК, від періоду роботи, кута нахилу, азимута і режиму переорієнтування;
- використання в системах теплопостачання теплонасосних установок є перспективним напрямком, який дозволяє підвищити теплопродуктивність систем і продовжити період їх ефективної роботи. Парокомпресійні ТНУ, які знайшли найбільш широке поширення в таких системах, являють собою складне обладнання, детальне моделювання якого представляє важливу самостійну проблему. У літературі є приклади використання для імітаційних моделей ТНУ регресійних рівнянь залежності коефіцієнта перетворення j і теплопродуктивності Qстну як функцій Твип і Тк, але при обчисленні цих рівнянь використовується багато емпіричних наближених коефіцієнтів, що суттєво знижує достовірність отриманих результатів.
Доцільно використати таку форму емпіричної моделі але змінити шлях її знаходження, використовуючи для цього результати спланованих натурних випробувань на експериментальній стендовій установці;
- теплопродуктивність ССТ залежить від кліматичних чинників, що визначають теплопродуктивність СК, а для систем опалення ще і теплове навантаження. Ці чинники взаємозалежні а їхній вплив на роботу і ефективність системи є великим, що приводить до необхідності ретельно і комплексно підходити до використання кліматичної інформації при розрахунках параметрів обладнання, річної (сезонної) теплопродуктивності і інших довгострокових експлуатаційних характеристик ССТ у різних кліматичних умовах та потребує виконання спеціальних досліджень;
- проаналізовано методи узагальнення і осереднення в часі первинної кліматичної інформації, взаємозв'язок чинників і розміри помилок, внесених цими методами в розрахунки ССТ. Встановлено, що наведені в “Справочнике по климату”дані з надійністю 0,95 мають достатню для інженерних розрахунків похибку, що не перевищує 10% і, у свою чергу, обумовлює вимоги до точності використання кліматичної інформації в подальших розрахунках ССТ. Результати досліджень наведені в [1,2].
Методи розрахунку інтенсивності сонячної радіації, падаючої і поглиненої колектором, і шляхи її підвищення наведені в другому розділі. Оскільки в Україні реєстрація і накопичення необхідних даних по сонячному клімату здійснюється на 21 метеостанції, які розміщені в 13 областях, необхідно провести зонування території країни для розрахунків і проектування ССТ по величинам СР. На основі аналізу кліматичних даних проведено районування території України на 3 зони. В межах кожної зони річні значення інтенсивності сумарної сонячної радіації в різних пунктах відрізняються не більше ніж на 10%, що відповідає похибці, яка спричиняється осередненням значень протягом встановленого періоду. Для кожної зони по наявному обсягу кліматологічної інформації обрані пункти - представники. У 1 зону включається Пpикаpпаття, Волинь, Буковина, Поділля, північні і північно-східні області; пункт - представник - м. Київ; 2 зона включає Закаpпаття, центpальні і південні області (за винятком pайонів Бесаpабії); пункт - представник - м. Одеса; 3 зона включає Бесаpабію і АP Кpим; пункт - представник - м. Ялта.
Вибір кліматичної інформації для розрахунків експлуатаційних характеристик ССТ вимагає інших підходів, тому що осереднені метеорологічні параметри не враховують взаємозв'язок чинників (складових сонячної радіації, температури повітря тощо) між собою. У зв'язку з цим необхідно використовувати кліматичну інформацію у вигляді так званого “типового року”, що відбиває довгострокові особливості даного пункту але зберігає випадковий характер поєднання чинників між собою. Запропонована методика його упорядкування, що полягає у виборі по кожному пункту з реальних даних різних років окремих місяців, сумарні показники яких відповідають середнім багаторічним. Для пунктів-представників кожної зони за багаторічними даними метеостанцій Никитський сад (м. Ялта), Обсерваторія (м. Одеса) і Бориспіль (м. Київ) складені “типові роки”, що надалі використовуються для моделювання і розрахунків ССТ.
Наявність інформаційного базису у вигляді “типового року”дозволило провести порівняльну оцінку різних методів осереднення метеопараметрів. Використовуючи кліматичні дані м. Ялти, виконано розрахунки теплопродуктивності УСГВ за рік та міжопалювальний сезон по середній добі, що розрахована для кожного місяця; по середньо-місячних значеннях; по середньодобових значеннях кожного місяця. Порівняння цих результатів з розрахунком за даними “типового року”показали, що жоден із розглянутих методів осереднення не може використовуватися для розрахунків довгострокових характеристик систем з похибкою менше 10%, яка досягається використанням "типового року". Для систем без дублера, для яких характеристики обладнання вираховуються за данними найгіршого місяця з періоду роботи, можна використовувати середньомісячні значення інтенсивності прямої і дифузної СР на горизонтальну поверхню, наведені в “Справочнике по климату”для деяких географічних пунктів або прийняти дані пункта-пpедставника даної зони.
Розроблено методику обчислення значень інтенсивності складових СР на довільно розташовані поглинаючі поверхні. Для всіх місяців року визначені періоди часу, що відповідають оптимальним кутам падіння сонячного променя на колектор, і для них обчислені осереднені величини “коефіцієнтів положення”P кожної складової СР, що зв'язують щільності їх потоку на горизонтальну і похилі поверхні, і коефіцієнтів R, що враховують відхилення орієнтації СК від південної. Це дозволило одержати рівняння для розрахунку інтенсивності СР, що падає і поглинається колекторами будь-якого просторового положення, пристосовані для інженерних розрахунків:
qпад = PsRpSгор + PDDгор + Pr(Sгор + Dгор)а* (1)
qпогл = 0,951RPs(ta)sSгор + (ta)D (PDDгор + Pr(Sгор + Dгор)а*) (2)
Проведені дослідження роботи СК із дискретною переорієнтацією грунтуються на запропонованому автором режимі зміни орієнтації, який використовує особливості пропускання СР склом і полягає в утриманні кута падіння сонячного променя на колектор у межах 30°, що забезпечує максимальне значення коефіцієнта пропускання склом СР. Коли кут падіння променя досягає 30°, СК повертаються за Сонцем і встановлюються на новий азимут, який знову утримає необхідний кут падіння. Таким чином крім збільшення потоку падаючої СР досягається постійне забезпечення максимального коефіцієнта її пропускання.
Проведено розрахунки величин qпад для зимового (листопад-лютий), весняно-осіннього (березень, квітень, вересень, жовтень) і літнього (травень-серпень) сезонів і за рік у цілому. Їхні результати показали, що величини qпад набагато менше залежать від кута нахилу b, ніж для нерухомих СК. Оптимальні значення qпад досягаються в залежності від широти місця q і сезону роботи установки при наступних кутах: b= q + 5° - для літнього; b = q + 10° - для цілорічного; b = q + 15° - для зимового, а відхилення ± 5° від оптимального кута мало впливають на продуктивність.
Запропоновано методику розрахунку інтенсивності прямої СР, що падає на СК змінної орієнтації, яка використовує розміри її інтенсивності S^ на поверхню перпендикулярну променю, з понижуючим коефіцієнтом Р^ (рис. 1). У цьому випадку вирази (1, 2) мають вигляд:
qпад = P^S^ + PDDгор + Pr(Sгор + Dгор)а* (3)
qпогл = 0,951P^ S^(ta)s + (ta)D (PDDгор + Pr(Sгор + Dгор)а*) (4)
Порівняння сум qпад для колекторів, що переорієнтуються 5 разів на день з тими, що стежать за Сонцем і з нерухомими показало, що дискретна зміна орієнтації дозволяє СК отримати більш ніж 90% від максимально-можливої за рік СР, у той час як нерухомі одержують до 70% (для літнього сезону роботи - до 60%). Це робить запропонований шлях збільшення продуктивності СК досить перспективним.
Рис.1. Порівняння розрахункових значень qпад для систем колекторів,
що стежать (1), дискретно-орієнтуються (2) і нерухомих (3)
При проектуванні ССТ колектори часто встановлюються окремими секціями на горизонтальній або похилій площині, можливо навіть обмеженій (наприклад, дах будинків). Таке рішення не потребує складних опорних конструкцій, що здорожчують систему, однак, зменшується можлива сумарна площа СК. Автором розроблено математичний опис цієї задачі для довільних кутів нахилу СК і площини розміщення та знайдені залежності значень складових потоку СР від просторового і взаємного розташування нерухомих СК або тих що переорієнтуються. Знайдені аналітичні залежності використовувалися також при розробці СК, сполучених із зовнішнім огородженням будинків.
Введення понять “фактор заповнення”fзап (що дозволяє знаходити сумарну площу СК, які можна в даний спосіб розташувати на даній площині) і “фактор незатінення”fнезат (відношення сум СР падаючої на затінені та незатінені СК) дозволяє провести розрахунок площі СК що затінюється по виразах (1, 2) або (3, 4). Добуток цих факторів дозволяє визначити робочу площу СК у залежності від площі розміщення Fкр і розташування колекторів:
А = Fкрfзапfнезат (5)
і вирішувати задачу економічної оптимізації їх розміщення.
Результати досліджень опубліковані в [3,5,9,11,15,18,25].
У розділі 3 наведена методика розрахунків, які використовуються при математичному моделюванні, процесів перетворення та передачи енергії в установках сонячного теплопостачання. При моделюванні теплофізичних процесів в елементах системи складено математичні моделі які використовують e-NTU метод для зменшення кількості змінних та спрощення моделей (див. табл.1), причому для СК і теплообмінників, що поєднуються з баком-акумулятором, це вперше розроблено автором.
Для знаходження залежності коефіцієнта перетворення ТНУ від Твип і Тк була створена лабораторна установка сонячного теплопостачання з компресійним тепловим насосом (на базі холодильної машини ХМ-ФВ-20), СК площею 8,4 м2, електроводонагрівачем, приладами захисту та автоматики. Контур навантаження включав опалювальні прилади та БА.
Дослідження проводилися циклами по 3-5 днів щомісяця в зимовому і літньому режимах загальним обсягом біля 400 годин. У кожній точці проводилося 3 досліди, всі параметри вимірювалися одночасно, розраховувались оцінки похибок і довірчі інтервали параметрів. Точки вимірів визначались, використовуючи метод ортогонального центрального композиційного плану. Дослідження виконувалися при різних рівнях сонячної радіації з температурами випаровування Твип = 5 ё 45°С и конденсації Тк = 40 ё 95°С на холодоагентах R12 і R114. Встановлені її фактичні характеристики, у т.ч. отримані значення коефіцієнта перетворення j =1,7ё3,5 у зимовому режимі і 3,6 - 5,0 у літньому.
У результаті обробки експериментальних даних у діапазоні температур випару Твип = 15 ё 30 °С и конденсації Тк = 50 ё 70°С отримані залежності дійсного коефіцієнта перетворення j як функції Твип і Тк:
j = 2,85 + 1,34*10-2Твип + 0,9*10-2Тк + 2,3*10-4 - 0,2*10-4- 1,78*10-4 Твип Тк (6)
Перевірка значущості коефіцієнтів регресійного рівняння за критерієм Стьюдента і адекватності моделі за критерієм Фішера визначила, що з заданою надійністю (Р = 0,95) знайдене рівняння може використовуватися як імітаційна модель ТНУ.
Наявність цієї моделі дозволила скласти і розв'язати системи рівнянь, які описують роботу СТНУ в обох можливих режимах - з постійною температурою конденсації (для гарячого водопостачання) та з постійною витратою теплоносія, що нагрівається (опалення), які також наведені в табл. 1.
Для включення СБА в математичну модель ССТ потрібно описати його теплообмін з грунтом і, для виключення початкових умов, знайти число річних циклів розрахунку,
Таблиця 1 - Розрахункові схеми і обчислювальні формули для елементів ССТ
Наймену-вання Теплова схема Вихідні дані Шукані величини Розрахункові формули
Сонячний колектор (СК) Твих ск qпад То Твхск; Wck qпад(t); To(t); f'U; ta; Твх ск(t); A; eск; 1 режим - Wck= const; 2 режим - Твих= const eск Тр Твих Wск eск= 1-ехр(- NTUск) = = (Твих ск-Твхск) /(Тр - Твх) NTUск = ¦ўUA/Wск. Тр = qпад(ta)/U + To Твих(t) = Твх + eск(Тр - Твх) Wск(t)=-f'UA(ln(Тр-Твих)/(Тр-Тв))-1
Проточний тепло- обмінник (ПТО) Твихск Твхск Тв Wск Тхв, Wв Твих ск(t); Wв(t); Тхв; Wск; eпто Тв(t); Твх ск(t) Тв(t) = Тхв + (Твих ск - Тхв)Wmin/Wв Твхск(t)= =Твихск- eпто(Твихск - Тхв)Wmin/Wск
Ємнісний теплообмінник (ЄТО) Wв Твихск Тв Тба Wба То Твх, Wск Тхв Твих ск(t); То(t); Wв(t); g; Wба ; eпто; Тхв Тв(t); Твх ск(t) Тв(t) = Тба(t) =Тmax-Тначба*exp(-At) Tmax = A/B A = Wв/Wба + g/Wба + eпто Wск/Wба B= WвТхв/Wба + gТо/Wба + + eптоТвих ск Wск/Wба Твх ск(t) = Тв + (Твих ск - Тв) eєто
Бак-акумулятор (БА) То Твихск Тба Тв Wск Wба Wв Тхв Твих ск(t); То(t); Wв(t); Тнач ба; g; Wба; Тхв Тв(t) Тв(t)=Тба(t)=Тmax - Тнач ба*exp(-At) Tmax = A/B A = WB/Wба + g/Wба + Wск/Wба B= WBТхв /Wба + gТо/Wба + + Твих ск Wск/Wба
Тепло-насосна установка (ТНУ) Твихск Тв ТНУ Твх ск Тхв Wск Wв Nе eвип; eк; DТк; DТвип; Твих ск(t); Wск; 1 режим - Тв = const; 2 режим - Wв = const j Nе(t) Wв(t) Тв(t) j = 2,85+1,34*10-2Твип + 0,9*10-2Тк + 2,3*10-4- 0,2*10-4- - 1,78*10-4 Твип Тк; Nе(t) = Wв/j( Тв - Тхв); Wв(t) = = jWск(Твихск-Твх ск)/(Тв-Тхв)(j-1) Тк = Тв - DТк; Твип = Твих ск - DТвип/(1- eвип); Твх ск (t) = Твип + DТвип Тв(t) = Тк + DТк; Тк = Тхв - DТк/(1 - eк)
достатнє для встановлення регулярного режиму руху теплового фронту від бака в грунт і назад. Автором використана кінцево-різницева схема опису процеса і, у припущенні симетричності задачі та з урахуванням ряду допущень, підготовлена програма, що використовує систему рекурентних рівнянь для проведення циклічних розрахунків теплових потоків між СБА і грунтом. Результати розрахунку для середніх параметрів грунта (r = 700 кг/м3, l = 0,51 Вт/(м2*К), с = 2,0 кДж/(кг*К) наведено на рис.2.
Рис.2. Результати розрахунку: а) середнього температурного поля грунту за стінкою бака-акумулятора; б) температури води в баку-акумуляторі
Розроблені моделі та методи розрахунку окремих елементів ССТ використано для моделювання і подальших розрахунків системи в цілому. Подібні методики, доведені до рівня номограм, можуть використовуватися в першу чергу для проведення інженерних розрахунків найпростіших УСГВ і сонячних приставок до котелень. До них відносяться і двоконтурні УСГВ з проточним ТО, для яких проведено теоретичний аналіз і розроблена методика розрахунку, яка дозволила розкрити і пояснити встановлені в огляді протиріччя між наявними математичними описами таких систем, відповідно до яких при Wв>>Wск теплообмінник не впливає на теплопродуктивність системи, і результатами експериментальних досліджень, у котрих ця залежність спостерігалася.
Використовуючи терміни e-NTU методу і виражаючи інтенсивність СР через рівноважну температуру СК, можна записати рівняння для обчислення Qсст, що включать фактор fт, який враховує вплив теплообмінника:
Qсст = fт (7)
де fт = ()-1.
При гранично великих площах СК і ТО максимально можливу теплопродуктивність системи при наявних метеоумовах знаходимо з виразу:
Qmax = Wв(Тр - Тх.в.), (8)
а відношення fc = Qсст /Qmax визначить ефективність даного рішення.
Графіки значень fT, fR і їхні добутки наведені на рис. 3 і пояснюють характер зміни теплопродуктивності УСГВ, отриманий експериментально. При Wск < Wв величина fT @1, однак мала величина fR, тобто причиною малої продуктивності є не наявність теплообмінника, а мала витрата теплоносія через СК. При Wск > Wв витрата в контурі достатня (fR @ 1), але починає позначатися вплив теплообмінника (fT < 1). Оптимальною є рівність витрат теплоносія і води, що забезпечує максимальний розмір fc. У цьому випадку ефективність системи буде дорівнювати:
fc = (9)
Рис.3. Графіки залежності розмірів ft (A), fR (Б) і fT fR (B) від відношення витрат води і теплоносія при різних значеннях NTUск
По знайдених залежностях побудовано графіки, які дозволяють визначити величини A і Fпто, що забезпечують необхідне значення fc. Вибір однієї пари з множини підхожих визначається або мінімальною вартістю системи, або завданням одного з цих значень. Зокрема знайти по заданим fc і eпто площу А можна з виразу:
А = (10)
Кількість виробленого системою за рік (сезон) тепла за рахунок використання СР завжди можна представити у вигляді:
Qсст = h*А* qпад (11)
і звести задачу обчислення теплопродуктивності системи до попереднього знаходження залежності середньорічного (сезонного) ккд від параметрів системи. Ця залежність може бути визначена в результаті розрахунків показників роботи ССТ за необхідний період на математичних моделях.
У загальному вигляді математичні моделі функціювання ССТ складаються з трьох блоків: падіння сонячної радіації на СК, перетворення сонячної радіації у теплову енергію теплоносія та її подальше накопичення і споживання. Вони об'єднуються однією незалежною змінною - часом. Методи розрахунку сонячної радіації, яка надходить на СК, наведені у розділі 2, моделі елементів наведені вище, а методи розрахунку споживаної енергії в залежності від часу, температури води і навколишнього повітря широко відомі. Таким чином ми маємо все необхідне для складання повних моделей ССТ.
При їх підготовці на підставі рівнянь, що описують протікання фізичних процесів у кожному елементі системи, складаються так звані розрахункові процедури, що моделюють їхню роботу та забезпечують можливість поелементної оптимізації. Вони об'єднуються з алгоритмами контролю і керування в єдину модель системи, дослідження котрої і дозволяє провести необхідну оптимізацію.
В загальному вигляді послідовність необхідних кроків наступна:
- розробляється математична модель для кожного типу систем з використанням розрахункових формул для окремих елементів, що дозволяє при розрахунках варіювати їхні параметри;
- модель перевіряється і, при необхідності, коригується за результатами натурних досліджень для встановлення її адекватності дослідним даним;
- на откоригованій моделі, використовуючи методи планування експерименту, проводяться розрахунки довгострокових характеристик ССТ для різних схемних рішень, графіків навантажень і кліматичних умов і знаходяться рівняння регресії, що описують статистичні зв'язки цільової функції з величинами параметрів, які використовуються як імітаційні моделі.
Визначені системи, моделювання і дослідження яких покриває практично все коло можливих рішень ССТ для об'єктів масового будівництва і у яких задіяна майже вся номенклатура використовуваного обладнання: УСГВ з секційним баком-акумулятором, УСГВ з природньою циркуляцією, сонячні приставки до котелень і сонячно-електричні системи теплопостачання, сонячно-теплонасосні системи теплопостачання, у тому числі з СБА.
Запропонована модель відпрацьовувалась по результатам натурних досліджень експериментальної УСГВ жилого дома (площа СК - 76 м2, об'єм 6 секцій БА - 3,4 м3), які були проведені в різних режимах і схемних рішеннях. Знайдені статистичні характеристики розподілу параметрів та їхні довірчі інтервали дозволили, після порівняння розрахункових і експериментальних даних, підтвердити адекватність описання процесів в розроблених моделях ССТ натурним даним, а отримані характеристики розподілу експериментальних величин ккд дозволяють використовувати їх для інших досліджуваних систем при встановленні відповідності дослідних та розрахункових даних. Виконані дослідження опубліковані в [1,4,7,8,10,26-27] і дозволили провадити подальші дослідження УСГВ та ССТ на математичних моделях, чому присвячен розділ 4.
Виконані попередньо розрахунки дозволили виключити з числа чинників впливу деякі конструктивні і режимні параметри (невеликі коливання технічних характеристик СК, витрати теплоносія і т.і.) і досліджувати вплив на теплопродуктивність тільки основних з них - питомих значень площі СК, ємності БА і площі ТО (віднесених до одиниці потужності установки, що вимірюється в ГДж/доб).
Для розрахунків систем на моделях вихідними даними є кліматична інформація (у вигляді “типового року”), умови експлуатації та режими навантаження, а також параметри обладнання і системи, необхідні для її розрахунку. Результатами обчислень є величини Qсст і Qд, ккд і коефіцієнт покриття навантаження за рахунок енергії СР, коефіцієнти перетворення ТНУ, тепловтрати СБА і інші.
Для досліджуваних систем у межах варіювання змінних параметрів були сплановані розрахункові точки, проведені розрахунки для 3 кліматичних зон і після статистичної обробки їхніх результатів отримані осереднені регресійні рівняння, які є імітаційними моделями системи для проведення оптимізаційних розрахунків на всій території країни. Результати таких розрахунків для досліджених типів УСГВ і ССТ наведені у таблиці 2.
Таблиця 2 - Розрахункові рівняння і межі їхнього застосування для досліджуваних систем та їх розрахункові питомі потужності
Пара- Основний Інтервал Розрахункові рівняння
Метр рівень варіювання
УСГВ із секційним баком-акумулятором і дублером (1 ГДж/доб)
м2 м2 h=0,360-0,085 +0,042 +0,0192-0,024 2+0,004
,5 м3 м3
УСГВ із постійною витратою і нагріванням води до двох температур (1 ГДж/доб)
м2 м2 h=0,396 –,093 +0,046 +0,0212-0,0262+0,004
,5 м3 м3
УСГВ із відбором води постійної температури без дублера (1 ГДж/доб)
м2 м2 h = 0,183 + 0,067 - 0,017 2 - 0,035 +0,024пто
пто ,25 м2 м2
Сонячні приставки до котелень (1 МВт потужності котельні)
м2 м2 h = 2*10-6 2 –,0014 + 0,5841
СТНУ гарячого водопостачання (10 ГДж/доб)
м2 м2 h = 0,517 –,021 - 0,025 к - 0,004 к
к °С °С j = 3,695 + 0,208 - 0,343 к - 0,110 к
СТНССА (1 МВт)
м2 м2 h = 0,370 - 0,117 + 0,041 + 0,029 - 0,012 +
м3 м3 + 0,016 - 0,022
тну кВт кВт
Примітка: ,, тну, к, пто - нормовані значення параметрів, що варіюються
Виконана на стендовій СТНУ експериментальна перевірка адекватності прийнятого модельного опису дозволила застосувати його для дослідження на математичних моделях СТНУ іншого класу потужності. З цією метою, використовуючи робочі графіки для компресорів типу П110, що працюють на холодоагентах R12, R142, R114, по описаній методиці знайдені залежності j = j (Tвип,Tк), Qстну = Q(Tвип,Tк), що разом з описами інших елементів системи дозволяють скласти її модель для розрахунку довгострокових характеристик СТНУ і, вирішуючи спільно систему рівнянь, знайти аналітичні вирази для Твип при Тк = const, по якім визначається Твх і далі Твих , h, Qстну,Wв.
При використанні цих виразів як основи алгоритму була складена програма для обчислення показників СТНУ гарячого водопостачання. Результати розрахунку (табл.2) показують, що середньорічний коефіцієнт перетворення j знаходиться у межах 3...4,5 і, з точки зору використання первинного палива, цілком виправдовує застосування електроенергії для теплопостачання.
Середньомісячні значення для усіх варіантів відрізняються від середньорічних не більш ніж на 10...15%. ККД сонячного теплоприймального контуру набагато менше, ніж для звичайних двоконтурних систем, залежить від питомої площі колекторів, змініючись в інтервалі 0,52...0,48, що на 15...25% вище ккд двоконтурних УСГВ без ТНУ, а теплопродуктивність СТНУ в розглянутому інтервалі значень А зменшується з ростом Тк.
Розробка і веріфікація імітаційної моделі ТНУ дозволяє також підготувати математичну модель і провести дослідження систем теплопостачання із сезонним акумулюванням теплоти, що включають СК, ТНУ, СБА, дублер, які можуть призначатися для житлових селищ і комплексів забудови, де не має розвитої інженерної інфраструктури.
На рис. 4 наведено принципову схему, що ілюструє основні напрямки передачі потоків теплоти. Гнучка схема розподілу теплоти по елементах дозволяє розглядати схеми з досить великим числом конфігурацій. Вихідні дані включають імітаційні моделі теплових насосів НТ-500 і НТ-1000, площі і характеристики СК, розміри БА і СБА, характеристики грунту, коефіцієнти теплообміну, графіки і режими навантажень і т.д., а також кліматичні дані у виді “типового року”.
Рис.4. Принципова теплова схема СТНССА
За результатами досліджень для системи потужністю 1 МВт знайдене регресійне рівняння для обчислення ккд сонцеприймального контуру (табл. 2), яке може використовуватися для всіх сполучень величин параметрів у межах варіювання, наведених у таблиці 3 (загальним числом 43 = 64 варіантів для кожного рівня потужності).
Таблиця 3 - Величини параметрів А, V , Nтну, прийняті в розрахунках
Потужність СТНССА, N, МВт А, тис.м2 V, тис.м3 n = Nтну/N
,5 ,0; 2,0; 3,0; 4,0 ,0; 11,0; 7,0,3,0; ,0; 0,8; 0,4; 0,2
,0 ,0; 4,0; 6,0; 8,0 ,0; 22,0; 14,0; 6,0 ,0; 0,8; 0,7; 0,6
Отримані розрахункові величини складових енергобалансу системи, обчислені для дискретних значень параметрів, апроксимуються регресійними рівняннями для проведення інженерних розрахунків без використання програмного комплексу. Вони дозволяють аналітично визначити шукані величини кожної із j = 4 складових енергобалансу (Qск, Qтну, Qcба, Qcк) для будь-якого сполучення вихідних даних.
Рівняння регресії для обчислення складових енергобалансу мають вигляд:
Qi[j] = BO[j] + B1[j] ni + B2[j]lnAi + B3[j]lnVi (12)
Величини коефіцієнтів для кожної складової розраховані, наведені в роботі і опубліковані. Проведено порівняння результатів, отриманих при повному та імітаційному моделюванні, яке підтвердило їх адекватність, і виконано розрахунок для оціночного вибору економічно оптимального варіанта системи, для якого проведено розробку експериментального проекту (розд. 6). Результати досліджень опубліковані в [1,4,16,26,27].
Практично всі розглянуті УСГВ і ССТ після проведення досліджень на моделях пройшли стадію експериментального проектування, будівництва, натурних випробувань і дослідної експлуатації для відпрацьовування технічних рішень, технологічних вузлів, визначення , експлуатаційних показників та фактичних характеристик і їх порівнянню з розрахунковими, чому присвячується п'ятий розділ дисертації.
В середині 80-х років в Україні було збудовано ряд експериментальних ССТ у житлових будинках, дитячих закладах та інших об'єктах, проекти яких були розроблені автором. Це дозволило провести перевірку широкого спектру рішень і набути значний технічний досвід стосовно експлуатаційних характеристик систем і використовуваного обладнання.
Результати випробувань і експлуатації експериментальних об'єктів підтвердили правильність прийнятих рішень і відповідність розрахункових даних натурним. Середній ккд використання СР в системах у період експлуатації знаходиться в межах 30-45%; питома денна продуктивність (середня і максимальна) - 26,8-31,4 МДж/м2; сумарна середня питома продуктивність за сезон - 1,9 ГДж/м2; питома економія палива при використанні геліосистем 0,03-0,15 т.у.п./рік.
Практика показала істотну залежність експлуатаційної ефективності установок від рівня і якості їх обслуговування, у зв'язку з чим було рекомендовано влаштовувати пооб'єктні УСГВ тільки при наявності відповідних служб і розвивати використання сонячної енергії для гарячого водопостачання об'єктів масової забудови і технологічних процесів (у першу чергу в сільськогосподарському виробництві) у поєднанні з котельнями у вигляді так званих сонячних приставок.
Така установка була розроблена для котельні птахофабрики “Південна”(м.Сімферополь). Випробування і дослідна експлуатація показали високі характеристики системи і підтвердили доцільність їх використання на об'єктах агрокомплексу. Для подальшого впровадження і тиражування результатів вони включені в [26], де використана також авторська розробка сонячно-електричної системи опалення тваринницького комплексу в Черкаській області, що включає сонячну приставку з каскадною комбінацією СК до теплоакумуляційної електрокотельні. В цій установці використовується устаткування, яке протягом опалювального періоду експлуатується в складі котельні, що істотно знижує капітальні витрати. Установка була рекомендована ВО “Украгроенерго”для тиражування, після чого по розробках автора в Україні було збудовано більш 40 подібних приставок.
До середини 80-х років вітчизняний досвід розробки УСГВ був більше повязан з великими житлово-цивільними об'єктами, що мають насосну циркуляцію, а світовий - з малими установками з природньою циркуляцією. Діючи нормативи на підставі іноземних публікацій включали положення, що граничною площею СК для таких установок є 10м2. Автором був проведен комплекс робіт по створенню УСГВ з природною циркуляцією з більшою площею СК. Першою була мобільна геліодушева (свідоцтво СРСР на промисловий зразок №14762, срібна медаль ВДНГ УРСР), що призначена для працюючих у польових умовах. Проведені випробування душевої та їх результати дозволили створити нове рішення УСГВ з природньою циркуляцією і у 1988 р. були проведені розробка, проектування, будівництво і дослідна експлуатація такої установки для гарячого водопостачання табору відпочинку в с. Вітіно (Крим), що була найбільшою у СРСР (площа СК –м2).
Визначені в процесі досліджень характеристики виявилися досить високими: продуктивність - більш 3,0 м3/доб з Тв > 45°С, максимальний ккд перевищував 50%, середній - 45% при безхмарному небі і 27-35% при змінній хмарності. Випробування підтвердили правомочність запропонованої методики проектування, при котрій установки без дублера розраховуються по ясному дню гіршого місяця періоду експлуатації, що відповідає по продуктивності середньому дню сезону, і можливість запропонованих УСГВ забезпечувати гаряче водопостачання широкого кола об'єктів із задовільними техніко-економічними параметрами.
В той же період за рішенням ДКНТ СРСР в різних регіонах країни створювався ряд експериментальних односімейних житлових будинків, обладнаних системами сонячного теплопостачання. У рамках цієї роботи проведені розробка, проектування, будівництво, натурні випробування і дослідна експлуатація житлового будинку в с. Колісне Одеської обл. У будинку був передбачений комплекс теплозахисних і теплоутилізаційних заходів; система опалення панельно-промениста, низькотемпературна з природньою циркуляцією; БА, теплоємність якого відповідає дводобовій потребі, входив у контур опалення і мав ТО для системи гарячого водопостачання. Дублер - електроводопідігрівачи, що використовують т.з. “позапікову”(нічну) електроенергію; система автоматизована. Відповідно до проекту при площі СК 65 м2 ССТ покриває біля 30% теплового навантаження в опалювальний період, 100% - у неопалювальний і біля 40% - загалом за рік.
Результати роботи показали, що в умовах півдня України використання плоских СК з водяними системами опалення фактично не забезпечує більше 25% економії палива і при цьому викликає значне (понад 25%) подорожчання будівництва. В літню пору виникають значні надлишки вироблюваного тепла, що не може бути корисно використано. У зв'язку з цим для використання сонячної енергії в системах опалення необхідне сезонне акумулювання тепла, яке за даними світового досвіду технічно та економічно доцільно в першу чергу при теплопостачанні груп об'єктів або великих систем. Для окремих будинків такий же (25-30%) внесок може дати пасивна система сонячного опалення, що набагато дешевша і простіша в експлуатації. Досвід будівництва і експлуатації ССТ житлового будинку, а також виконані іншими організаціями практично одночасно дослідження подібних систем у Вірменії, Грузії та Узбекистані при всій різноманітності застосовуваних рішень і устаткування засвідчили технічну можливість їх використання в екстремальних умовах але економічну недоцільність для для масового будівництва , якщо в них не використовуються ТНУ і СБА.
У зв'язку з викладеним, при наступній розробці експериментальної системи опалення одноквартирного житлового будинку в с. Букурія (Молдова) була реалізована сонячно-теплонасосна система теплопостачання, де СК розташовані на даху. ТНУ була створена на базі компресорно-конденсаторного агрегату АК-6 холодильної машини ХМ1-6 оскільки вітчизняна промисловість на той час не випускала теплових насосів потрібної потужності, а опубліковані результати вітчизняних дослідників свідчили про можливість роботи холодильних машин у теплонасосному режимі.
Результати випробувань СТНУ у літній і перехідний періоди показали її відповідність розрахунковим даним, але випробування по зимовому режиму роботи виявили серйозні проблеми конструктивно-технологічного характеру, викликані використанням холодильної машини не за прямим призначенням. У зв'язку з перевищенням споживаної потужності компресором коефіцієнт перетворення ТН виявився низьким: 1,15-1,87, максимальна температура теплоносія 78оС, максимальне миттєве значення ккд сонцеприймального контуру (в опалювальний період) досягало 0,385, найбільше середньодобове значення - 0,285, середнє значення за період випробувань 0,24.
Проведений експеримент показав недоцільність використання холодильних машин в теплонасосному режимі для улаштування СТНУ - при установці “штатної”ТНУ працездатність системи не викликає сумнівів. Визначився клас об'єктів, на котрих доцільно першочергове використання СТНУ - заклади відпочинку які мають істотню сезонну нерівномірність навантаження включаючи значні потреби в гарячоиу водопостачанні влітку та відносно невелику нагрузку опалення.
У цьому ж розділі наведені і результати виконаних в 1997р випробувань УСГВ автотранспортного підприємства в м. Києві з каскадним сонцеприймальним контуром для сезонного підігріву води (площа СК - 122 м2, у т.ч. 40 м2 без склення), які підтвердили ефективність даного рішення, що дозволяє знизити на 10 - 15% сумарну вартість колекторів і підвищити в тому ж обсязі теплопродуктивність установки.
Основні технічні характеристики експериментальних об'єктів наведені в табл. 4, із якої випливає, що питоме вироблення теплоти УСГВ і приставками до котелень у 4 - 5 разів вище ніж пооб'єктними ССТ.
Таблиця 4 - Порівняння розрахункових і фактичних показників ССТ
№ з/п Найменування об'єктів Площа СК Об'єм БА ККД сонцеприй-мального контуру Питоме вироб-лення теплоти
А, м2 V, м3 розрах.1) фактичний ГДж/м2
1 УСГВ 9-пов. 64-кв. будинку у м. Херсон - 0,8 - 0,56 ,412 ,401 ± 0,039 ,65
УСГВ 5-пов. 54-кв. будинку у м.Очаков ,01 ,6 ,18 ,366 ,377 ± 0,037 ,10
УСГВ 2-пов. будинку у с.Пересадівка ,4 ,0 ,378 ,344 ± 0,034 ,56
УСГВ пансіонату “Гірський” ,0 ,4 ,11 ,465 ,470 ± 0,046 .10
УСГВ пансіонату “Севастопольський” ,0 ,1 ,2 ,455 0,450 ± 0,044 ,18
6 УСГВ дитсадку на 280 м. у м. Одеса ,13 ,7 ,12 ,390 0,270 ± 0,026 ,47
7 -кв. будинок з ССТ у с. Колісне2 72 -0,8 16 ,0 0,09 0,25 0,110 ± 0,010 0,30 ± 0,03 0,493 0,235
8 -кв. будинок з СТНУ у с. Букурія2 - 10 - 0,11 0,41 0,100 ± 0,090 0,400 ± 0,036 0,611 0,386
9 УСГВ адмінкорпусу у м. Києві -0,92 ,3 - 0,44 ,433 0,400 ± 0,039 ,97
10 Сонячно-електрична котельня - - - ,392 0,430 ± 0,042 ,02
11 Сонячно-паливна котельня - - - ,462 0,450 ± 0,042 ,25
Примітка: 1) Розрахунки виконані за даними табл.2 ;
)Чисельник- річні значення, знаменник - за опалювальний період.
Результати досліджень опубліковані в [1, 6, 19, 22,23].
В шостому розділі наведені результатів узагальнення виконаних досліджень у типових і експериментальних проектах, нормативно-методичних і програмних документах.
Першими, що пройшли повний цикл “розробка - дослідження - експериментальне проектування і будівництво - натурні дослідження і дослідна експлуатація - типове проектування - підготовка нормативів”, є УСГВ житлово-цивільних будинків і сонячні приставки до котелень різного призначення.
За результатами досліджень УСГВ розроблено ряд типових проектів, які за дорученням Держбуду СРСР поширювалися по замовленнях проектних і монтажних організацій країни (виконано більш 25 замовлень).
З системами сонячного опалення ситуація істотно інша. У 1988 р комісія Держбуду СРСР за участю автора розглянула результати їх експериментального проектування і будівництва в різних районах СРСР. Жодний з реалізованих проектів не був рекомендован навіть для повторного застосування. Визнано доцільним продовжити дослідження і розробку спеціальних теплових насосів для СТНУ, відпрацьовування і удосконалювання пасивних систем, розробку СК і систем опалення з повітряним теплоносієм. (Подальший хід розвитку геліотехники і закордонний досвід останнього десятиліття цілком підтвердили цей висновок. В нашій країні роботи в цьому напрямку, на жаль, практично зовсім припинились).
Результати виконаних досліджень використані на стадії експериментального проектування для створення т.з. "демонстраційних" об'єктів. Це проекти з широкомасштабним і комплексним залученням НВДЕ - житлові будинки і мотель з автономними системами енерготеплопостачання і СБА, проект селища з комплексним використанням НВДЕ для теплопостачання, проект СТНССА потужністю 0,5 і 1,0 МВт, який дозволив уточнити ряд технічних рішень теплоти і визначити кошторисну вартість систем теплопостачання із сезонним акумулюванням, система теплопостачання виробничого корпусу Кримської сонячної електростанції, що використовує для дискретного переорієнтування виведені з експлуатації геліостати з розміщенням на них спеціально сконструйованих СК, і інші, досить великі проекти, що вимагають відповідних капітальних вкладень.
Результати розрахунків технічних характеристик експериментальних проектів показали, що частка покриття потреби в тепловій енергії за рахунок використання СР складає від 45 до 75%. Більша цифра відноситься до СТНССА, однак вартість теплової енергії при цьому зростає до 40-45 дол. США/МВт*год. Питома вартість ССТ з переорієнтуванням СК на 10-15% вище, ніж з нерухомими, але за рахунок росту теплопродуктивності на 30-35% вдається знизити вартість вироблюваного тепла на 10% порівняно з нерухомими. Для подальшої перевірки більшість проектів, як інноваційні, включені до “Державної програми підтримки НВДЕ і малої тепло- і гідроенергетики”.
Техніко-економічні показники ССТ експериментальних об'єктів мають значні розбіжності. Показники ССТ одноквартирних будинків значно гірші, ніж гарячого водопостачання. В середньому подорожчання будинку при улаштуванні УСГВ складає 7-20% його вартості і залежить, в першу чергу, від питомих значень площі СК. Питома вартість виробленого тепла найменша у сезонних приставок до котелень, найбільша - у систем опалення і гарячого водопостачання будинків (незважаючи на цілорічний режим роботи).
Для оцінки можливих шляхів зниження вартості УСГВ виконано постатейний аналіз питомих витрат на будівництво експериментальних ССТ, який показав, що найбільша питома вага в капітальних витратах припадає на вартість і монтаж СК (50-65%) і загальнобудівельні роботи з підготування території, зведення опорних конструкцій і допоміжних будівель (20-40%). Це дозволило виявити наявність резервів зниження витрат за рахунок здешевлення СК при масовому випуску та за рахунок підвищення їх питомої теплопродуктивності, поліпшення рішень по загальнобудівельних роботах, удосконалювання схем і розробки спеціального обладнання (використання в УСГВ типових ємних водопідігрівачів зменшувало виробництво тепла на 15-20%, відсутність дешевих, нетоксічних антифризів також оберталась недовиробленням 10-15% тепла). Ці висновки були враховані при розробці типових проектів та для встановлення лімітної ціни при організації випуску корозійностійких СК другого покоління, які зумовили можливість переходу до одноконтурних систем, дозволили спростити і здешевити їх схемні рішення, а також розробити і впровадити каскадні УСГВ.
Будівельні норми вимагають при проектуванні ССТ обов'язкове попереднє виконання ТЕО, при цьому дотепер відсутня їх затверджена методика. Автором підготовлені і опубліковані основні положення методичних рекомендацій для проведення такого ТЕО, які базуються на діючих в країні нормативах і використовують для аналізу і оцінки критерій приведених витрат.
При порівняльних розрахунках на стадії ТЕО можна виключити з розгляду складові приведених витрат, які не залежать від джерела теплоти, і тоді економічна ефективність впровадження ССТ визначиться як різниця вартості виробленої теплоти і щорічних витрат, які виражені часткою z від величини капітальних витрат К:
DЗ = Qсст ст - z К і 0 (13)
На основі аналізу економічних показників збудованих об'єктів і розробленої проектно-кошторисної документації відповідно до діючої законодавчої бази і нормативних джерел автором визначена структура капітальних витрат по окремих групах у загальній вартості ССТ, що дозволяє обчислити норми відрахувань на їх амортизацію і ремонт.
Термін окупності капітальних вкладень (і зворотня йому величина рентабельності проекту) визначається відношенням t = K/DЗ, що може бути перетворене у вигляді:
t = t гр/(h - z t гр) (14)
Тут t гр - граничний мінімальний термін окупності витрат (відповідає терміну окупності при відсутності поточних витрат і 100% ккд СК), який дорівнює відношенню капітальних вкладень до “вартості”падаючої СР:
t гр = К/qпад / ст (15)
Параметр z об'єднує ряд чинників, пов'язаних з поточними витратами: умови фінансування, витрати на амортизацію, експлуатацію і т.і. Добуток величин z и tгр являє безрозмірний комплекс, що відбиває кліматичні умови місця будівництва, вартісні показники системи і обладнання, включає економічні умови реалізації проекту і т.і. Він дорівнює відношенню річних витрат до “вартості”падаючої за рік (сезон) СР і може бути названим “критерієм економічної ефективності системи”:
hек = z К/qпад/ст (16)
Умова економічності ССТ , що не використовують ТНУ, може бути записана у вигляді:
hек < h (17)
Для СТНУ економічна ефективність за критерієм приведених витрат може бути визначена аналогічно виразу (13):
DЗ = Qстну ст - z К - Qстнусе/j і 0 (18)
а умова економічної доцільності впровадження СТНУ має вигляд:
hек < r Ч hстну (19)
Тут r - безрозмірний коефіцієнт, що враховує відношення тарифів на теплову ст і електричну се енергію і величину коефіцієнта перетворення ТНУ:
r = (1 - 1/j)/(1 - 1/j Ч се/ст) (20)
З виразу (20) випливає необхідність виконання умови:
j > се/ст (21)
причому, чим це відношення менше, тим легше виконується умова (19). Вирази (17) і (19) об'єднують для техніко-економічного аналізу технічні показники системи, які виражаються у вигляді ккд, з комплексом величин, що впливають на економічні показники проекту і дозволяють, використовуючи дані табл.1, проводити попередню оцінку економічної доцільності улаштування ССТ.
Термін окупності СТНУ визначається з (14) з врахуванням (19-20):
tстну = (22)
Можна перейти до узагальненого безрозмірного запису величини терміна окупності для будь-якого типу ССТ:
(23)
де =
Побудовані графіки рівнянь (23) дозволяють провести попередню оцінку необхідних показників ССТ, включаючи СТНУ і СТНССА, на передпроектній стадії їх впровадження.
Використовуючи запропоновану методику, виконані розрахунки економічної ефективності розроблених експериментальних і типових проектів систем. У табл. 5 наведене порівняння економічно припустимих і технічних значень ккд і терміни окупності деяких експериментальних об'єктів і проектів ССТ.
Таблиця 5 - Техніко-економічні показники експериментальних об'єктів ССТ
№ Найменування Економія Коефіцієнти Термін
пп об'єкта палива т.у.п/м2 електро- енергії кВт*год/м2 корисної дії економіч-ної ефек-тивності окуп- ності, років
1 Пансіонат “Гірський” - ,47 ,32 ,1
2 Пансіонат “Севастопольський” - ,45 ,34 ,5
3 -пов. 64-кв. будинок у м. Херсоні ,071 - ,40 ,44 -
4 -пов. 54-кв. будинок у м. Очакові ,067 - ,38 ,63 -
5 -пов. будинок у с. Пересадівка ,075 - 0,34 ,64 -
6 -кв. будинок із ССТ у с. Колісне ,08 - 0,09 (0,25) ,10 -
7 -кв. будинок із СТНУ у с.Букурія - 0,11 (0,41) ,20 -
8 Дитсадок на 280 місць у м.Одеса ,06 - 0,27 ,37 -
9 Сонячно-електрична котельня - ,43 ,23 ,8
10 Сонячно-паливна котельня ,090 - ,45 ,28 ,9
11 УСГВ для адмінкорпуса (м. Київ) ,075 - ,53 ,34 ,8
Примітки: 1) Значення в дужках - для опалювального періоду;
) Вартість теплоти прийнята рівною 15 грн/ГДж, електроенергії - 0,14 грн/кВт*год.
Як випливає з таблиці, терміни повернення вкладених у ССТ коштів, визначені тільки по економії палива (теплоти), досить великі, а в деяких випадках вони можуть зовсім не повернутися, що робить проблематичним (без врахування екологічних складових ефекту і мір економічної підтримки) широке використання сонячної енергії на Україні. Для розширення обсягів впровадження і в Україні необхідно вжити стимулюючі заходи, що передбачені Законом України “Про енергозбереження”, а для попередніх розрахунків економічної ефективності питомі величини економії палива деякими ССТ, розраховані за результатами виконаних досліджень експериментальних об'єктів наведені у таблиці 6 для 3 зон України.
Таблиця 6 - Розміри економії палива для деяких типів ССТ
Наймену- Економія палива, т.у.п. /м2
вання I зона II зона III зона
cистем тверде газоподібне тверде газоподібне тверде газоподібне
УСГВ ,079-0,123 0,061-0,090 0,092-0,145 0,071-0,105 0,111-0,174 0,086-0,127
Сонячні приставки 0,079-0,108 0,076-0,091 0,089-0,126 0,077-0,107 0,107-0,152 0,093-0,129
На підставі отриманих даних у табл. 7 наведені підсумкові порівняльні економічні характеристики ССТ, що використовувались для розрахунків і включені в програмні документи.
Підготовка нормативно-методичних документів є необхідною і однією з найважливіших умов впровадження виконаних розробок у практику будівництва. Розробка нормативів по сонячному теплопостачанню виконувалася за дорученнями Держбуду СРСР і Держбуду України. Результати наведених у дисертації досліджень стали основою або були включені в 2 нормативних документи загальнодержавного статусу і 3 методичних.
Таблиця 7 - Підсумкові порівняльні економічні характеристики ССТ
№ з/п Тип системи Оди- ниці вимірю- вання Вартість одиниці, тис. дол. США Річне вироблення на одиницю, МВт*год/рік Вартість виробленої енергії, дол/МВт*год Кількість палива, що заміщується, т.у.п/од Термін окуп- ності, років
Приставки до котелень МВт ,0-70,0 ,5-10,0 -130 -8
2 Сезонні УСГВ об'єктів м3/доб ,5-3,0 ,0-10,0 ,5-12,0 ,5-2,5 -11
Автономні установки водопідігріва м3/доб ,5-2,5 ,5-9,5 ,5-12,5 ,3-2,0 -12
Слід зазначити, що з затвердженням Держбудом України - “Посібника..”і “Технічних рішень...”і прийняття Міждержавного ГОСТу “Коллекторы солнечные. Методы испытаний.”та “Методики ТЕО улаштування систем теплопостачання, що використовують НВДЕ”(в стадії завершення), основа нормативно-методичної бази, необхідної для впровадження ССТ, буде сформована. Пропозиції по її розширенню передані в Держстандарт і Держбуд України і включені в “Державну програму підтримки розвитку НВДЕ...”.
У “Державній програмі підтримки розвитку НВДЕ і малої гідро- і теплоенергетики”, автор брав участь в розробці розділу “Сонячна енергетика”де визначена стратегія розвитку ССТ і відібрані 22 найважливіших проекта і потрібні нормативно-методичні документи, включаючи базу по сертифікації продукції, розробка яких сприятиме широкому впровадженню геліосистем. У “Програмі...”зафіксовані розраховані прогнозні цифри по обсягах впровадження сонячних колектоpів до 2010 року, що повинні скласти 9,5 млн. м2, та визначені обсяги реалізації різних типів ССТ, на яких має здійснюватись це впровадження.
У “Національній програмі відродження села”, що ухвалена Верховною Радою України в 1996 році, у відповідному розділі автором визначені напрямки і можливі обсяги впровадження ССТ у технологічні і комунальні об'єкти сільської місцевості, включаючи пропозиції по переліку необхідних еталонних і демонстраційних розробок.
Наведені в цьому розділі результати опубліковані в [12-14,17, 20, 21,24,26,27].
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі розроблені і теоретично обгрунтовані науково-технічні і методичні засади розробки і проектування ефективних ССТ, що дозволяє розв'язати значну прикладну проблему - використання сонячної енергії в системах теплопостачання для зменшення витрат палива енергетичними системами окремих об'єктів та їх комплексів і зниження забруднення і викидів в навколишнє середовище.
Отримані результати базуються на виконанні повного циклу розробки: аналіз існуючого стану - технічне рішення - створення математичної моделі та виконання досліджень на моделях - експериментальне проектування та будівництво - натурні дослідження та дослідна експлуатація - розробка типових проектів та нормативно-методичної бази.
В роботі вперше отримані наступні результати:
1. Обгрунтована необхідність проведення зонування території країни по кількості падаючої СР для розрахунків ССТ, яке викликано тим, що спостереження і реєстрація значень метеопараметрів здійснюється тільки в 21 населеному пункті 13 областей України.
На основі аналізу статистичних характеристик просторово-часового розподілу інтенсивності СР показано, що Україну можна розділити на 3 зони, і для кожної зони визначен пункт-представник, для котрого значення величин кліматичних параметрів не більше ніж на 10% відрізняються від значень будь-якого іншого пункту цієї зони і не перевищують відносну похибку опублікованих середніх величин кліматичних даних.
. При обчисленні річної (сезонної) теплопродуктивності ССТ з дублюючими джерелами теплоти, використання довідкових середньодобових і середньомісячних даних по сонячній радіації дає похибку більше 10%. Це спричиняється тим, що її реальні коливання в часі і кореляція з температурою зовнішнього повітря не враховуються. Для зменшення похибки розрахунків необхідно використовувати кліматичні данні у вигляді “типового року”.
Розроблена методика складання “типового року”на підставі використання даних багаторічних спостережень на метеостанціях, і для пунктів-представників кожної зони "типовий рік" складено.
. Для нерухомих СК і для таких, які змінюють орієнтацію протягом дня, що розташовуються на горизонтальній або похилих площинах, отримані математичні вирази для розрахунків коефіцієнту незатінення в залежності від співвідношення висоти ряду до відстані між рядами.
Для СК із різними характеристиками просторового розташування для практичного використання розраховані значення цього співвідношення, що забезпечують величину коефіцієнту незатінення не менше 0,95.
. Запропоновано режим зміни орієнтації СК, який базується на використанні оптичних властивостей скла. Виконано розрахунки, які довели, що дискретна зміна орієнтації СК 3-5 разів на добу, що здійснюється відповідно до запропонованого режиму, дозволяє підвищити їх теплопродуктивність на 30-40%. Для різних сезонів року розраховані кути нахилу, азимути поворотів і час переорієнтування СК, що забезпечують при мінімальному числі поворотів поглинання СР усього на 5-10% менше, ніж при постійному стеженні СК за Сонцем.
. Для найбільш поширених типів ССТ - установок сонячного гарячого водопостачання з природною і примусовою циркуляцією, із дублюючими джерелами енергії і без них, сонячно-паливних і сонячно-електричних котелень, а також сонячно-теплонасосних установок, у т.ч. із сезонним акумулюванням теплоти - розроблені математичні моделі, які слугували для дослідження впливу схемних рішень, режимів роботи і параметрів основного устаткування ССТ на їхню продуктивність, що дозволило суттєво скоротити терміни досліджень і витрати на отримання результатів. У цих моделях відомі аналітичні описи процесів перетворення сонячної енергії в теплову в СК і теплопередачі в елементах устаткування систем сформульовані в термінах e-NTU-методу, що дозволило зменшити кількість змінних параметрів і спростити моделі.
. Перевірка адекватності розроблених математичних моделей на експериментальній ССТ шляхом порівняння результатів розрахунків температур у вузлових точках з дослідними даними засвідчило їх цілком задовільний збіг, а статистичний аналіз розподілу відхилень підтвердив, що вони відповідають нормальному закону, що дозволяє вважати відхилення випадковими і підтверджує адекватність прийнятого модельного опису ССТ.
. Експериментальні дослідження теплопродуктивності широкого класу ССТ показали задовільний збіг фактичних значень ккд використання енергії СР з їх розрахунком по регресійним моделям.
Це засвідчило доцільність використання розробленого універсального методологічного підходу до знаходження довгострокових (річних, сезонних) експлуатаційних показників ССТ шляхом заміни розрахунків на математичних моделях із використанням кліматичної інформації у вигляді “типового року”розрахунком по регресійним рівнянням, що отримані за методиками теорії планування експерименту. При цьому такий показник ССТ як ккд використання сонячної енергії може визначатися для всієї території України одним рівнянням.
Для практичного застосування досліджуваних типів систем такі рівняння знайдено .
. Дослідження широкого класу ССТ в різних кліматичних зонах країни виявили, що найвищий ккд використання сонячної енергії мають сонячно-теплонасосні установки (45-55%), далі слідують сонячно-паливні і сонячно-електричні котельні (40-45%), менший ккд мають пооб'єктні (35-40%) та автономні (30-35%) установки гарячого водопостачання і найменший - автономні системи теплопостачання (9-11%) .
9. Запропонована методика техніко-економічної оцінки ССТ, основні положення якої спираються на діючу законодавчу і нормативну бази та практичні результати автора, дозволяє при відсутності в цій галузі дотепер затвердженого нормативного документу проводити попереднє техніко-економічне обгрунтування доцільності використання ССТ в конкретних умовах.
Для оцінки техніко-економічної ефективності застосування ССТ запропоновано безрозмірний критерій, що залежить від кількості падаючої радіації і відношення річних витрат на ССТ до вартості енергії (палива), що заміщається.
Доведено, що використання ССТ економічно доцільно, якщо значення ккд використання сонячної енергії дорівнює або більше значення цього критерія.
Результати роботи використані для визначення напрямків і масштабів впровадження ССТ у прийнятій в 1996 р. Верховною Радою України “Національній програмі відродження села”і в затвердженій в 1997 р. Кабінетом Міністрів України “Програмі державної підтримки розвитку НВДЕ і малої гідро- і теплоенергетики”, ввійшли в 2 нормативних і 3 методичних документи для розрахунку і проектування ССТ і використані при розробці 7 типових і 19 експериментальних проектів, по яких побудовані більше 50 об'єктів.
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ОПУБЛИКОВАНІ У НАСТУПНИХ РОБОТАХ:
1. Использование солнечной энергии для теплоснабжения зданий / Ю.А. Константиновский, А.И. Заваров, М.Д. Рабинович, А.Р. Ферт / Под ред. Э.В. Сарнацкого - Киев: Будівельник, 1985. -104 с.
2. Рабинович М.Д., Сарнацкий Э.В. Гелиотехнические установки для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения гражданских зданий - М.: ЦНТИ Гражданстроя, cер. инж. оборудование населенных мест, жилых и общественных зданий, 1982. - Вып.6. - 44 с.
. Пекер Я.Д., Айзен А.М., Рабинович М.Д. Климатические основы расчета годовых расходов энергии системами отопления и кондиционирования воздуха // Труды ГГО. - Л.: Гидрометеоиздат - 1974. - Вып. 337. - С. 43-57.
. Рабинович М.Д., Ферт А.Р. Проектирование систем солнечного теплохладоснабжения // Системы солнечного тепло- хладоснабжения. –М.: Стройиздат, 1990. –С.143-192.
. Рабинович М.Д. Инженерный метод расчета солнечной радиации, падающей и поглощенной коллектором // Гелиотехника. - 1982. - N4. - C.59-64.
. Рабинович М.Д., Ферт А.Р., Згурский О.А, Максимченко А.Т. Системы солнечного теплоснабжения сельских домов // Сельское строительство. - 1983. - N1. - C.2-5.
. Рабинович М.Д. Расчет эффективности двухконтурной гелиосистемы с противоточным теплообменником // Гелиотехника. - 1984. - N1. - С.40-44.
. Рабинович М.Д. Инженерный метод оптимального проектирования гелиосистем // Гелиотехника. - 1984. - N4. - C.50-54.
. Рабинович М.Д. Сравнение различных методов представления климатической информации при расчете производительности гелиосистем// Гелиотехника. - 1986. - N3. - С.76-77.
. Рабинович М.Д., Ферт А.Р., Ванжула С.К., Стрельчук О.Б., Соколов Ю.В. Гидравлические характеристики солнечных коллекторов // Водоснабжение и санитарная техника. - 1988. - N12. - C.18-19.
. Рабинович М.Д., Шнерх О.А. Установки солнечного горячего водоснабжения с дискретной ориентацией коллекторов // Гелиотехника. - 1992. - N2. - C.52-56.
. Рабинович М.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для объектов теплоснабжения в жилищно-гражданском строительстве // Будівництво України - специальный выпуск "Проблемы энергосбережения в жилищно-гражданском строительстве Украины" - 1995. - С.61-68.
. Рабинович М.Д. Экономические показатели систем теплоснабжения с нетрадиционными источниками энергии и методика их расчета // Экономика Украины. - 1997. - N10. - С.83-84.
14. Рабинович М.Д., Ферт А.Р. Использование солнечной энергии для теплоснабжения на Украине // Возобновляемая энергия. - 1998. - №3. - С.13-15.
. Рабинович М.Д. Дискретная переориентация солнечных коллекторов и ее использование для солнечно-электрической системы теплоснабжения // Технічна електродинаміка. - 2000. - №3. - С.52-55.
. Рабинович М.Д. Исследование солнечно-теплонасосных систем теплоснабжения с сезонным баком-аккумулятором на математических моделях // Промышленная теплотехника. - 2000. –т. 22. - №1. –С. 85-90.
. Рабинович М.Д. Критерии оценки технико-экономической эффективности систем солнечного теплоснабжения и методика ее расчета // Проблеми загальної енергетики. - 2000. –№2 –С. 14-17.
. Рабинович М.Д. Оценка точности представления климатической информации в расчетах систем солнечного теплоснабжения на математических моделях и ее использование для зонирования территории // Збірник наукових праць ін-ту проблем моделювання в енергетиці НАН України. –К.:Ін-т проблем моделювання в енергетиці НАН України, 2000. –Вип.9. –С.26-34.
. Рабинович М.Д. Исследования установок солнечного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией // Техніка будівництва. –. - №7 –С.65-68.
20. Рабинович М.Д. Экспериментальные системы автономного энергоснабжения с комплексным использованием возобновляемых источников энергии//Праці ін-ту електродинаміки НАН України. Електродинаміка.: Зб. наук.пр. –К.:ІЕД НАН України,2000. - С.185-193.
. Рабинович М.Д. Эксергетический анализ и экономическая оптимизация солнечных коллекторов для комбинированного производства тепловой и электрической энергии // Технічна електродинаміка - темат. випуск "Проблеми сучасної електротехніки"- 2000. -Част.1. –С. 93-96.
. Рабинович М.Д. Результаты натурных исследований и опытной эксплуатации гелиосистем // Системы солнечного тепло- хладоснабжения. - М.: Стройиздат, 1990. - С.253 -267.
. Рабинович М.Д., Васильева И.М. Схемные решения систем солнечного теплоснабжения // Системы солнечного тепло- хладоснабжения. - М.: Стройиздат, 1990. - С. 82 -109.
. А.с. N 1682731 СССР, МКИ F 24 J 2/26. Поглотитель солнечного коллектора / Кавицкий Б.М., Лепихов Е.А., Рабинович М.Д. (СССР). - №4752481/06; Заявлено 23.10.89; Опубл. 07.10.91, Бюл. №37. - 2 с.
. А.с. N 1474393 СССР, МКИ F 24 J 3/02. Солнечный коллектор / Рабинович М.Д. (СССР). - №4262417/24-06; Заявлено 27.04.87; Опубл. 23.04.89, Бюл. №15. - 3 с.
. ВСН52-86. Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования. // Рабинович М.Д., Ферт А.Р., Хаванский В.М. - Москва: Стройиздат, 1986. -16 с.
. Посібник з використання сонячної енергії для опалення і кондиціювання повітря - до чинних СНиП 2.04.05-91 “Отопление, вентиляция и кондиционирование”.: Затв. Держбудом України 24.09.97 №35. Введен у дію 15.01.98// Рабінович М.Д., Ферт О.Р., Хаванський В.М., 40 с.
УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ
А - площа колекторів, м2;
а* - альбедо поверхні, що відбиває;
ст, се - питома вартість теплової або електричної енергії, що заміщується, грн/ГДж або грн/кВтЧгод;
S,D - щільність потоку прямої, дифузної складової сонячної радіації, Вт/м2;
F - площа теплообмінної поверхні, м2;
f', fR - фактор ефективності та відводу
теплоти колектора;
Р - відношення інтенсивності СР, що падає
на СК, до горизонтальної (перпендикулярної);
Q - кількість теплоти, ГДж;
q - тепловий потік, Вт/м2;
R - коригуючий множник, що враховує відхилення орієнтації СК;
T - температура, К;
t - час, с;
U - коефіцієнт тепловтрат СК, Вт/м2К;
V - об'єм БА, м3;
W - водяний еквівалент витрати (об'єму) рідини, Вт/К (Дж/К);
z –щорічні експлуатаційні витрати як частка капітальних вкладень;
e - ступінь чорноти;
g - коефіцієнт тепловтрат БА, Вт/К;
j - коефіцієнт перетворення теплового насосу;
r - коефіцієнт відбиття СР;
h - коефіцієнт корисної дії;
(ta) –оптичний ккд СК;
ІНДЕКСИ та СКОРОЧЕННЯ
БА - бак-акумулятор;
в - вода, що підігрівається;
вип - випарник;
вих - вихід теплоносія;
вх - вхід теплоносія;
гор - на горизонтальну поверхню;
д - система, що дублює;
ЕТО - ємнісний бак-акумулятор;
к - конденсатор;
НВДЕ - нетрадиційні і відновлювальні
джерела енергії;
о - навколишнього повітря;
пад - падаючий на площу колектора;
погл - поглинене;
ПТО –проточний теплообмінник;
р - рівноважна;
СБА - сезонний бак-акумулятор;
СК - сонячний колектор;
СР - сонячна радиація;
ССТ - система сонячного теплопостачання;
СТНССА - сонячно-теплонасосна система з сезонним акумулюванням;
ТНУ, СТНУ - теплонасосна установка (сонячно-теплонасосна установка);
УСГВ - установка сонячного гарячого водопостачання;
хв - холодна вода;
s, D, r - приналежність до відповідної складової СР;
^ - на площу, перпендикулярну сонячному проміню.
К - капітальні витрати, грн;
АНОТАЦІЇ
Рабінович М.Д. Науково-технічні основи використання сонячної енергії в системах теплопостачання. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук, спеціальність - 05.14.01 “Енергетичні системи та комплекси”, Інститут загальної енергетики НАН України, м. Київ, 2001р.
Проведено зонування території країни для розрахунків ССТ і для кожної з 3 зон визначен пункт-представник і складено "типовий рік". Отримані математичні вирази для розрахунків коефіцієнту незатінення СК і розраховані його значення для будь-якого розташування СК. Розраховано режим зміни орієнтації СК, що забезпечує підвищення їх теплопродуктивності на 30-40%. Розроблені математичні моделі для дослідження впливу схемних рішень, режимів роботи і параметрів устаткування на теплопродуктивність ССТ. Для кожної з визначеного класу систем знайдено рівняння для розрахунків ккд використання сонячної енергії для всієї території України. Наведені дані натурних досліджень експериментальних ССТ, які показали задовільний збіг фактичних значень ккд з розрахунком по моделям. Розроблено основні положення методики техніко-економічної оцінки ССТ .
Ключові слова: системи сонячного теплопостачання, науково-технічні основи, методична база.
Рабинович М.Д. Научно-технические основы использования солнечной энергии в системах теплоснабжения. –Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук, специальность - 05.14.01 “Энергетические системы и комплексы”, Институт общей энергетики НАН Украины, г. Киев, 2001 г.
Проанализирован мировой опыт, свидетельствующий, что солнечное теплоснабжение является одним из наиболее активно развивающихся направлений использования НВИЭ, обеспечивающий существенную экономию топлива и снижение загрязнения окружающей среды. Благоприятные климатические условия, ограниченность собственных запасов ископаемого топлива, наличие значительного опыта и технологической базы обуславливают целесообразность широкого внедрения систем солнечного теплоснабжения в Украине.
Показана необходимость проведения зонирования территории страны по количеству падающей СР. На основе анализа пространственно-временных характеристик распределения интенсивности СР показало, что таких зон может быть 3, и в каждой зоне выделен пункт-представитель. Установлено, что при расчетах ССТ с дублирующими источниками теплоты необходимо использовать данные “типичного года", которые составлены для всех зон Украины по разработанной методике. Предложено взаимное затенение СК учитывать соответствующим коэффициентом. Для недвижимых и переориентируемых СК, расположенных на горизонтальной или наклонных плоскостях, получены выражения для его вычисления. Доказано, что дискретное изменение ориентации, проведенное в соответствии с рассчитанными углами наклона СК, азимутами поворотов и временем переориентации позволяет повысить их теплопроизводительность на 30-40%.
Исследовано влияние схемных решений, режимов работы и параметров основного оборудования ССТ на их производительность, разработаны математические модели для наиболее распространенных и перспективных типов ССТ. В этих моделях описания процессов преобразования солнечной энергии в тепловую в СК и теплопередачи в элементах оборудования переформулированы в термины e-NTU-метода, что уменьшило число переменных параметров и упростило модели. Адекватность разработанных математических моделей проверена на экспериментальной ССТ по специально разработанной методике. Разработан универсальный методологический подход к расчету долгосрочных показателей ССТ, состоящий в замене расчетов на математических моделях с использованием “типичного года” расчетом по регрессионным моделям. При этом кпд для исследованного класса систем определяется для всей территории Украины одним уравнением. Экспериментальные исследования ССТ показали удовлетворительное совпадение полученных кпд использования СР с расчетными. Исследования различных схем ССТ выявили, что самый высокий кпд использования солнечной энергии имеют СТНУ (45-55%), далее - солнечные приставки к котельным (40-45%), пообъектные (35-40%) и автономные (30-35%) УСГВ и наименьший - автономные системы теплообеспечения (9-11%) .
Разработаны основные положения методики технико-экономической оценки ССТ. Для оценки технико-экономической эффективности предложен безразмерный критерий, зависящий от количества падающей радиации и отношения годовых затрат на ССТ к стоимости замещаемой теплоты (топлива, электроэнергии). Доказано, что использование ССТ экономически целесообразно, если значение кпд использования солнечной энергии равно или больше величины этого критерия.
Ключевые слова: системы солнечного теплоснабжения, научно-технические основы, методическая база.
Rabinovych М.D. Scientific and technical bases using of the solar energy in heat supply systems. –Manuscript.
Thesis for a Doctor's degree of technical sciences, speciality - 05.14.01 "Energy systems and complexes", Institute of general energy Ukrainian National Аcademy of Science, Kiev, 2001.
Designed strategy of using climatic information in calculations of solar heating systems, explored dependencies of amount falling and absorbed to solar radiation from the spatial position of solar collectors and offered methods of its increasing. As a result generalizing of theoretical and experimental research data proposed equations for the calculation of heat productivity solar heating systems for industrial, agricultural and housing-public objects. Designed strategy of evaluation technical-economic of efficiency the solar systems.
Designed methodical recommendations and standards on the calculation and designing the installation solar heating systems for objects of wide construction.
Key words: solar heat supply systems, scientific and technical bases, methodical base.