Эффективность работы гелиосистемы в зимний период
Вопросы экономии энергоресурсов, а, следовательно, и экономии денег, затраченных на их приобретение, волнует сегодня как частных домовладельцев, так и руководителей предприятий. Одни ищут выход в инновационных технологиях, другие – продолжают расходовать газ и электричество.
Стоит ли сегодня устанавливать альтернативные системы жизнеобеспечения, используя такие источники энергии, как земля, ветер и солнце, или подождать до лучших времен?
Ответить на этот вопрос постараются сотрудники лаборатории инновационных технологий Украинского государственно геологоразведочного института (УкрГГРИ) в продолжение темы использования солнечной энергии для подогрева воды в системе горячего водоснабжения (АДЕ № 2 за 2009 год) на основе практически полученных данных, позволяющих сделать поправки и замечания к широко разрекламированным методикам расчетов и техническим средствам.
Принимая решение о целесообразности перехода на альтернативные источники энергии и, прежде всего, на самый доступный из них – энергию солнечного излучения, Вы задаете себе следующие простые и в то же время очень важные для принятия решения вопросы:
• Какая стоимость такого устройства, и через какое время оно окупится?
• Насколько долговечен вакуумный солнечный коллектор, требует ли он технического обслуживания?
• Насколько безопасна такая система, если нарушится целостность стеклянной трубки? Что про-изойдет с тепловым коллектором? Какая жидкость используется в качестве теплоносителя, насколько она безопасна?
• Каким образом поддерживается температура в системе горячего водоснабжения здания в ночное время?
• Можно ли с помощью солнечного коллектора решить проблему отопления здания и в каком объеме?
• Можно ли использовать гелиосистему для обеспечения здания электроэнергией?
• Насколько эффективно работает гелиосистема зимой, необходим ли уход за системой в зимнее время?
Мы постараемся в доступной широкому кругу читателей форме ответить на них в последующих выпусках журнала и таким образом помочь Вам принять правильное и обоснованное решение! А сегодня дадим ответ на последний вопрос – насколько эффективно работает гелиосистема зимой, необходим ли уход за системой в зимнее время?
Лабораторией инновационных технологий УкрГГРИ на действующей гелиоустановке были произведены измерения основных параметров системы в течение трех зимних месяцев 2009 – 2010 гг. Полученные результаты измерений, проведенные расчеты и сделанные выводы мы приводим в данной статье.
Цель, место и время проведения эксперимента
Цель проводимого нами исследования заключался в том, чтобы экспериментально определить эффективность работы устройства для нагрева воды в системе горячего водоснабжения здания, с использованием энергии солнечного излучения, в зимний период. Дать практические рекомендации по повышению эффективности работы гелиосистемы в данный период года.
Эксперимент проводился на одной из двух действующих гелиосистем для подогрева воды в системе горячего водоснабжения УкрГГРИ установленной стационарно. Конструктивно вся гелиосистема предприятия состоят из двух независимых гелиосистем одной стационарной, другой установленной на поворотном устройстве. Суммарным объемом приготовления горячей воды 400 л в сутки, два бака-накопителя по 200 л. Основные и дополнительные датчики установленные в контрольных точках системы позволяют с помощью специально разработанного программного обеспечения и контроллера круглосуточно фиксировать параметры работы системы. Что позволяет как эффективно управлять работой системы, так и проводить научно исследовательскую работу, направленную на повышение эффективности работы системы в целом.
Место проведения эксперимента – г. Киев (район площади Шевченко).
Дата проведения эксперимента 1 декабря 2009 года – 28 февраля 2010 года.
Солнечный коллектор IM-HP-O58-1800-30, установленный стационарно.
Угол наклона обоих коллекторов – 45 градусов.
Бак-накопитель гелиосистемы № 1 – 200 л.
Теплоноситель – пропиленгликоль 30 %.
Внешний вид гелиосистемы приведен на рис. 1
Места установки датчиков и измеряемые параметры приведены на рис. 2
Графические результаты полученных измерений изображены на приведенных ниже рисунках
Рисунок 3
Рис. 3
Период 1 декабря 2009 г. – 1 января 2010 г.
Средняя температура воздуха, tв = 5°С
Средняя температура на выходе из бака-аккумулятора, tб = 23°С
Средняя температура на выходе гелиоколлектора, tб = 17°С
Температура воды на входе в систему ГВС, tв = 7°С
Мощность гелиосистемы КВт/день в декабре, Qд = mc (tб – tв) / 3600
м – масса воды, кг;
с – теплоемкость воды, 4,183 кДж/(кг°С),
tб – температура воды в баке-накопителе после окончания нагрева, °С;
tв – температура воды в баке-накопителе до начала нагрева, °С;
Qд = 200 х 4,18 х 10 / 3600 = 2,32 КВт/день
Необходимая мощность для нагрева воды до 60°С в системе ГВС
Q = mc (60 – 7) / 3600
Q = 200 х 4,18 х 53 / 3600 = 12,3 КВт/день
Покрытие необходимой загрузки, Z = Qф х 100 / Q %
Z = 2,32 x 100 / 12,3 = 18,9 %
Рисунок 4
Рис. 4
Период 1 января – 1 февраля 2010 г.
Средняя температура воздуха tв = 0°С
Средняя температура на выходе из бака-акумулятора tб = 27°С
Средняя температура на выходе гелиоколлектора tб = 36°С
Температура воды на входе в систему ГВС tв = 7°С
Мощность гелиосистемы КВт/день в январе Qя = mc (tб – tв) / 3600
Qя = 200 х 4,18 х 20 / 3600 = 4,64 КВт / день
Необходимая мощность для нагрева воды до 60°С в системе ГВС
Q = mc (60 – 7) / 3600
Q = 200 х 4,18 х 53 / 3600 = 12,3 КВт/день
Покрытие необходимой загрузки, Z = Qф х 100 / Q %
Z = 4,64 x 100 / 12,3 = 38 %
Рисунок 5
Рис. 5
Период 1 февраля 2010 года –1 марта 2010 года
Средняя температура воздуха tв = 0°С
Средняя температура на выходе из бака-аккумулятора tб = 35°С
Средняя температура на выходе гелиоколлектора tб = 40°С
Температура воды на входе в систему ГВС tв = 7°С
Мощность гелиосистемы КВт/день в феврале Qф = mc (tб – tв) / 3600
Qф = 200 х 4,18 х 28 / 3600 = 6,50 КВт/день
Необходимая мощность для нагрева воды до 60°С в системе ГВС
Q = mc (60 – 7) / 3600
Q = 200 х 4,18 х 53 / 3600 = 12,3 КВт/день
Покрытие необходимой загрузки, Z = Qф х 100 / Q %
Z = 6,50 x 100 / 12,3 = 52,8 %
Полученные данные сведены в таблицу 1.
Особенностями эксплуатации гелиосистемы в зимний период являются:
1. Уменьшение полезной площади гелиоколлектора за счет покрытия снегом и появления инея в утреннее время, рис. 6.
2. Увеличение потерь тепла за счет дополнительного охлаждения теплоносителя в коллекторе, в местах, где он проходит на открытых участках, рис. 7.
Рисунок 6
Рисунок 7
Выводы:
1. Гелиосистема в зимнее время работает.
2. Экономия энергоресурсов при использовании гелиосистемы в зимнее время составляет более 30 %.
3. Гелиосистема в зимний период эксплуатации требует ухода по очистке солнечного коллектора от снега.
4. Автоматика управления работой гелиосистемы должна быть адаптирована под условия эксплуатации в зимний период.
Заведующий лабораторией инновационных технологий УкрГГРИ
Алексей Зурьян
Источник: www.altenergo.info
Спасибо! Интересный анализ. Но на мой взгляд есть несколько неточностей:
1. Если схема системы именно такая, как показано на Рисунке 2 (с внешним теплообменником), было бы корректней поставить тепловой счетчик на контур воды и снимать показания именно с него (уже в кВтч) — т.е. датчики должны быть по воде на входе в теплообменник и на выходе из него!!! Ведь не возможно отследить все микроситуационные изменения температур и расходов теплоносителей.
2. Сравнение средней температуры на выходе из коллектора с температурой холодной воды и последующий подсчет количества энергии (Qд = mc(tб – tв)/3600)) считаю некорректным!!! Во-первых: данная система двухконтурная, в контуре коллекторов находится теплоноситель с отличной от воды теплоемкостью. Во-вторых: любой теплообменник обязательно работает с определенным температурным напором, т.е. в гелиоконтуре температуры обязательно должны быть выше, например могут быть 60оС и 40оС, а по стороне воды 50оС и 30оС (т.е. температурный напор примерно 10К). Никак нельзя высчитывать тепловую энергию на подобии «60-30″, в данном случае корректно будет 50-30!!!
3. Хотелось бы видеть циклы включения циркуляционного насоса гелиоконтура, т.к. именно в эти моменты происходит полезная работа. Любой контроллер гелиосистемы включает насос только в том случае, когда коллектор разогрелся выше температуры воды в баке, скажем на 8К, а выключит насос, если эта разница будет 3-4К. В случае же с вакуумными коллекторами, возможны холостые пуски (т.е. коллектор постепенно разогрелся, но после старта насоса, поступающий холодный теплоноситель резко его охлаждает, при этом мощности солнечного излучения может не хватать для поддержания хотя бы минимальной стабильной дельты, поэтому идет команда на выключение насоса, такое может повторяться весь день при этом происходит рассеивание энергии из бака), для исключения таких режимов используют специальные алгоритмы для вакуумных коллекторов.
4. Рассматривая графики, особенно Рисунок 3 (работа системы в декабре)… не понятно ведет себя температура на выходе из бака… При подсчете количества энергии в формулах используется расход горячей воды в объеме 200л, но если входящая вода в систему ГВС 7оС, то почему не падает температура воды на выходе из бака до близких к этому значений? Ведь видно, что температура солнечный коллекторов ниже в данный период…
Возможно пока Вы делали эту статью доступной для читателей, были просто упущены эти важные моменты… Пожалуйста дополните.
…подобный анализ уже проводили в Германии
Прошу прощения, прошлый комментарий писал достаточно быстро, поэтому не заметил банальной ошибки авторов статьи, после которой и появилось мое замечание №2. Т.е. в статье нужно исправить обозначение температур:
«Средняя температура на выходе из бака-аккумулятора tб = 35°С
Средняя температура на выходе гелиоколлектора tб = 40°С»
… и та и другая температура обозначены одинаково, т.к. в формуле используется обозначение tб, только в расчетах видно, что используется первое его значение…
Поэтому замечание №2 снимается!
Все остальные замечания остаются. В целом расчеты и выводы считаю очень неточными. Возможно просто не хватает данных…
Ув., Sintsolar, поясните, что вы хотите сказать вышесказанным, что коллекторы больше дают тепла, или то, что ваши схемы работают с отоплением, которые вы активно устаноавливаете в Крыму? Ведь давно уже всем понятно, что экономически не выгодно применять СК в отоплении ввиду дороговизны оборудования. Причем Ваши схемы отопления, которые Вы высылаете на мыло клиентам, професионально замаскированы под работу с электрокотлом. То, что у Вас сильный маркетинг на предприятии, с этим вряд ли поспоришь!!! Как мне кажется не нужно иметь семь пядей во лбу, что бы посмотреть строительную климатологию, где указан средний уровень солнечной радиации в отпительный период — 200 — 300 Вт в сутки/кв.м, производительность плоского солнечного коллектора 320 Вт/кв в год, это объективные данные по паспорту производителя, а не продуманные отделом маркетинга !!! У нас на всех системах установлены теплосчетчики, так вот даже самый крутой вакумный перьевой коллектор зимой выдает не более 2,5 Квт в сутки, а в летнее время 5 Квт/кв.м в сутки.
Спасибо за ответ и новые вопросы… ))
Поясняю, что я хотел сказать: в данном анализе (статье) либо не указаны все данные, либо была допущенная существенная ошибка в расчете тепловой производительности коллектора в зимнее время. Итоговые данные, сведенные в Таблицу №1 скорее всего сильно преувеличивают выработку данной системы. А именно: для расчета тепловой производительности? разницу температур умножают на 200 л, подразумевая что все эти 200 л были полностью слиты за сутки, но в этом случае из-за того, что ночью нет никакого дополнительного прогрева, с утра температура в баке должна была упасть до температуры холодной воды (7оС)…, а этого не происходит, значит бак либо подогревался, либо сливался не весь объем воды, что требует перерасчета тепловой выработки!
Также на графиках вообще не отображается работа насоса гелиоконтура, что также не позволяет полностью проанализировать ситуацию (ведь только тогда, когда насос работает — происходит полезная работа).
Это можно удобно посмотреть на латвийском сайте, где показывается работа системы с вакуумными коллекторами …в этот период у нас погода чем-то похожа… там можно отобразить графики за любой период и отключить все лишние кривые…
…например, за два месяца (октябрь и ноябрь) в этой системе было всего 18 включений насоса (за 60 дней!!!), хотя температура в коллекторе каждый день повышалась, но этой дельты не хватало, чтобы система могла стабильно работать…
По поводу других моментов:
1. Наши системы работают по всей территории Украины (в Крыму, только где-то 30-40% от общего количества и то, в основном для ГВС минигостиниц с возможностью дежурного отопления…, мы, просто, давно не обновляли объекты у нас на сайте).
2. Экономическая целесообразность гелиосистем очень сложное понятие, требующее учета многих факторов, которые анализируются в индивидуальном порядке. И, естественно, гелиосистемы с отоплением действительно имеют хуже экономические показатели чем системы только для ГВС или нагрева воды в бассейне, но в некоторых случаях это бывает очень оправдано. Другое дело, что многие компании предлагают гелиосистемы с отоплением, которые трудно назвать таковыми в связи с малой долей выработки… Например, если в гелиосистеме для ГВС просто заменить бак и сделать отбор на отопление, то получается уже система с отоплением, но фантастики не бывает — выработка больше не станет, просто энергия перераспределится: та часть, которая пойдет на отопление, уже не сможет пойти на ГВС… но все это индивидуально… Поэтому, чтобы пользователь ощутил выработку на отопление, приходится устанавливать количество гелиоколлекторов иногда в несколько раз (по сравнению с системой ГВС). Но основная экономия происходит именно в демесезонный период, когда солнечной энергии больше. В любом случае, если рассматривать гелиоконтур только как часть большой комплексной системы, тогда можно многие моменты оптимизировать и получить значительно лучшие результаты, при этом улучшить характеристики сопутствующего оборудования.
3. Любая гелиосистема (даже для ГВС на основе самых эффективных коллекторов) должна иметь дублирующий источник энергии (котел, ТЭН и др.) — это по нормам (исключением являются летние душевые). Ведь даже летом бывает 2 недели пасмурно, когда солнечной энергии просто не хватит для получения нужной температуры и защиты от бактерий… Мы не придумываем схемы, а берем их из европейской литературы и инструкций. Предлагаемая нами схема с отоплением — абсолютно стандартная и широко используемая в Европе!
Цитата: «производительность плоского солнечного коллектора 320 Вт/кв в год, это объективные данные по паспорту производителя, а не продуманные отделом маркетинга»
- не знаю откуда у Вас такая информация… например, по немецким нормам у них нельзя устанавливать коллекторы с удельной производительностью менее 525 кВтч/м2/год, а под это попадает даже плоский коллектор с «черным хромом» (но с хорошей теплоизоляцией). Реально же, в системах ГВС, удельная выработка бывает выше на несколько десятков процентов…
Или я Вас неправильно понял?
Все правильно, 320 для черного хрома с алюминиевым абсорбером, изоляция минвата 50 мм, для селективного с ребристым адсорбером 750. Данные производителя. Спасибо за правдивый коментарий.