Новости

Поддержка электроснабжения для систем горячего водоснабжения и низкотемпературного отопления (3). Скрытое представление

  1. модель
  2. моделирование
  3. производительность
  4. вывод

Цикл статей представит очень дешевый скрытый солнечный коллектор (UKS), который можно использовать для поддержки систем горячего водоснабжения (ГВС) и низкотемпературных систем отопления.

Анализ производительности скрытого солнечного коллектора был проведен на основе результатов численного моделирования. Была разработана численная модель коллектора, встроенного в конструкцию крутой крыши, с площадью 7,2 м2 и углом наклона 45 ° (рис.). Предполагалось, что отделочный слой покрытия выполнен из стального листа, без покрытия.

модель

Модель воздуха в пустотах и ​​воде в трубах UKS была разработана на основе вычислительной гидродинамики. Уравнения переноса для физической системы, состоящей из нескольких областей, решались с помощью пакета программ ANSYS CFX [4].

Численное моделирование проводилось для климатических условий, происходящих в Эльблонге, 3 июля в 11:00 (согласно типичному метеорологическому году [5]), и они близки к средним значениям, происходящим в июле. Интенсивность солнечного излучения, падающего на поверхность крыши, наклоненной под углом 45 ° и повернутой на юг, составляет 733,9 Вт / м2, что соответствует солнечной температуре Tsol = 785 ° C (для предполагаемых климатических условий).

Коэффициент поглощения кровельного материала принимается равным 0,75, что соответствует окраске в темный цвет (например, коричневый). В практических реализациях благодаря соответствующей текстуре и цвету может быть достигнут коэффициент поглощения, близкий к 0,9, что значительно повысит эффективность коллектора.

моделирование

Серия численного моделирования была выполнена для различных значений скорости воды v (м / с) в коллекторной трубе. Эффективность коллектора была проверена для диапазона скорости потока от 0,001 до 0,15 м / с. Результаты численного моделирования позволили определить не только эффективность УКС, но и узнать влияние процесса теплообмена на интенсивность передачи энергии рабочей жидкости в коллекторную трубку и определить оптимальную скорость потока жидкости.

Одним из основных параметров, характеризующих солнечный коллектор, является количество энергии, поглощенной за единицу времени Q (Дж / с) водой в трубе коллектора, и температура воды на выходе из трубы. Результаты моделирования подтвердили предсказанную зависимость (рисунок 1) этих значений от скорости потока.

Увеличение расхода воды с 0,001 до 0,15 м / с приводит к значительному увеличению количества поглощаемой энергии. Менее очевидным результатом является лишь небольшое снижение температуры воды на выходе примерно на 1 ° C, с очень значительным увеличением количества энергии, поглощаемой за единицу времени, примерно на 79%. Результатом является значительное увеличение эффективности коллектора (диаграмма 2) примерно на 80% по мере увеличения расхода воды в трубе. Максимальная эффективность коллектора была получена при максимальной анализируемой скорости 0,15 м / с и составила 0,232.

производительность

Тем не менее, можно видеть, что при скорости выше 0,1 м / с наблюдается лишь незначительное повышение эффективности UKS. В связи с вышеизложенным можно предположить, что пределом технической и экономической эффективности является расход воды около 0,11 м / с.

Представленные характеристики работы UKS отличаются от рабочих характеристик традиционных пластинчатых солнечных коллекторов не только величиной эффективности. Расход воды в коллекторных трубах сильно влияет на эффективность коллектора (количество поглощенной энергии) и в очень небольшой степени на температуру воды на выходе из трубы. Это очень важно для возможного практического применения УКС.

Наблюдаемые особенности работы УКС обусловлены разным ходом процесса теплопередачи в коллекторе. Средние значения температуры и скорости отработанного воздуха из воздушного зазора коллектора подтверждают сильное влияние конвективного теплообмена между поверхностью стального покрытия и поверхностью труб, через которые протекает вода, на эффективность коллектора (график 3).

Увеличение скорости воды в коллекторной трубе приводит к падению средней температуры воздуха в полости от 64,9 ° C до 53,1 ° C. При этом скорость воздушного потока падает с 0,345 до 0,209 м / с. Это доказывает, что движущийся воздух в воздухе высвобождает энергию в трубы не только на пути нагрева, но и передает значительную часть кинетической энергии, что снижает скорость его потока.

Это приводит к заключению, что трубки должны быть расположены в воздушной полости, чтобы ограничить турбулентность и обеспечить относительно свободный поток воздуха вдоль верхней и нижней поверхности поверхности трубки.

Проведенное численное моделирование не охватывало анализ влияния длины коллекторной трубы на количество поглощенной энергии. Однако при анализе результатов моделирования и механизма теплопередачи в воздушном зазоре можно ожидать, что увеличение длины труб (поверхности коллектора на скате крыши) приведет к увеличению количества получаемой энергии, небольшому увеличению температуры выхода воды и небольшим изменениям эффективности коллектора.

вывод

Скрытый солнечный коллектор - интересная альтернатива традиционным решениям. Несмотря на гораздо более низкую эффективность (около 0,23) от традиционных коллекторов, количество получаемой энергии можно просто увеличить, увеличив площадь установки. Ограничением является только площадь поверхности ската крыши. Поскольку стоимость 1 м2 коллектора не превышает 55,00 злотых, UKS можно установить на всю поверхность крыши, наклоненную в направлении, аналогичном южному.

Большим преимуществом скрытого солнечного коллектора является отсутствие негативного влияния на эстетику здания. Это устраняет значительный архитектурный барьер для использования солнечных коллекторов.

Недостатком УКС является относительно низкая температура воды на выходе из коллектора. Для климатических условий, принятых при моделировании (солнечная температура около 78 ° C), максимальная температура воды на выходе коллектора составляла 41,03 ° C, и она изменялась очень незначительно (около 1 ° C) при изменении расхода воды в трубе коллектора.

Это в определенной степени ограничивает область применения UKS для систем подачи низкотемпературного накопителя энергии, предварительного нагрева бытовой горячей воды и вспомогательных систем отопления. UKS может использоваться существующими системами отопления и горячего водоснабжения так же, как традиционные солнечные коллекторы, работающие в замкнутой системе.

Из-за особенностей процесса теплопередачи в UKS можно улучшить его эксплуатационные параметры. Это относится главным образом к температуре воды на выходе из коллектора и продлению эффективного рабочего времени. Это может быть достигнуто путем ограничения воздушного потока между воздушными пустотами (закрытые участки с подрезкой) и использованием материалов с высоким тепловым накоплением, например, заменой деревянной стропильной конструкции на сборные железобетонные элементы.

доктор хаб. Eng. Марек Крзачек

Рис. Геометрия модели скрытого солнечного коллектора.

Диаграмма 1. Зависимость количества энергии, поглощаемой водой (за единицу времени) Q, и температуры выхода воды Tw от скорости потока v в коллекторной трубе.

Диаграмма 2. Зависимость эффективности η от скорости потока v в коллекторной трубе.

Диаграмма 3. Параметры воздушного потока в пустоте: а) средняя температура воздуха Та , б) скорость воздуха вне пустоты .

литература

[1] Чан, Саффа Б., Риффат, Цзе Чжу, «Обзор пассивных технологий солнечного нагрева и охлаждения», «Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики» 14 (2010) 781-789.

[2] Isomax Polska материалы.

[3] Кржачек М., Ковальчук З., «Тепловой барьер как метод косвенного нагрева и охлаждения жилых зданий», «Энергетика и строительство», 43, 823-837, 2011.

[4] Документация по программе ANSYS CFD v.14.5, ANSYS Inc., 2012.

[5] Министерство транспорта, строительства и морской экономики, «Климатическая база типичного метеорологического года», Варшава, 2009.

Цикл статей представит очень дешевый скрытый солнечный коллектор (UKS), который можно использовать для поддержки систем горячего водоснабжения (ГВС) и низкотемпературных систем отопления