1. лАбОрАтОрІя
Ночной нагрев солнечного
коллектора - ННСК
«Ночной нагрев солнечного коллектора» как эффект, вызванный
недостатками интеграции гелиосистемы в действующую систему
энергообеспечения здания: теоретическое обоснование и прак-
тическое подтверждение необходимости адаптации систем для
преобразования солнечной энергии в тепловую к реальным
условиям эксплуатации.
Эксперимент остается навсегда.
П. Л. Капица
Альтернативная энергетика все увереннее стучится сегодня к нам в дверь. Одной из самых простых,
эффективных и доступных по праву считается система подогрева воды для горячего водоснабжения
на основе солнечных коллекторов. Но, приобретая и устанавливая у себя дома или на производстве
готовый продукт импортного производителя, мы, к сожалению, не всегда уделяем должного внимания
его адаптации к нашим условиям эксплуатации, а также оптимальной интеграции в действующую
систему энергообеспечения здания. Насколько эффективно будет работать такая система – неизвестно.
В Украинском государственном геологоразведывательном институте (УкрГГРИ) проводится научно-
исследовательская работа по этой проблематике. Результатами одного из проводимых экспериментов
лабораторией инновационных технологий института и своими выводами на основе полученных
данных мы и хотим поделиться с читателями журнала.
I. Цель, место и время проведения эксперимента работу, направленную на повышение эффективности
ННСК (ночной нагрев солнечного коллектора) – это работы системы в целом.
повышение температуры в теплосъемнике солнечного Место проведения эксперимента: г. Киев.
коллектора в период от заката до восхода солнца. Дата проведения: 20-30 ноября 2009 года. Солнечный
Данный эффект периодически присутствует в двух- коллектор IM-HP-O58-1800-30 на поворотном устройстве.
контурной стандартной системе преобразования со- Солнечный коллектор IM-HP-O58-1800-30, установленный
лнечной энергии в тепловую, которая установлена в стационарно. Угол наклона обоих коллекторов 45 гра-
здании для подогрева воды в системе горячего водо- дусов. Бак-накопитель гелиосистемы № 1 – 200 литров.
обеспечения. Бак-накопитель гелиосистемы № 2 – 200 литров. Тепло-
Цель проводимого нами исследования заключалась носитель – пропиленгликоль 30 %.
в том, чтобы экспериментально определить условия,
при которых возникает ННСК, и причины, которые его II. Последовательность проведения исследования
вызывают, а также дать практические рекомендации по 1. Определение параметров, которые будут
повышению эффективности работы гелиосистемы. свидетельствовать о внешних воздействиях на
Эксперимент проводился на действующей гелиосистеме коллектор, не связанных с солнечным излучением,
для подогрева воды в системе горячего водоснабжения которые могут вызывать ННСК.
УкрГГРИ. Конструктивно гелиосистема состоит из двух Внешними воздействиями могут быть:
независимых гелиосистем суммарным объемом приго- - Внешнее излучение, которое воспринимает
товления горячей воды 400 литров в сутки. Основные и солнечный коллектор.
дополнительные датчики, установленные в контрольных Отсутствие внешнего излучения, влияющего на нагрев
точках системы, позволяют с помощью специально трубок в ходе проведения эксперимента, мы опреде-
разработанного программного обеспечения и конт- ляем с помощью датчика температур, установленно-
роллера круглосуточно фиксировать параметры работы го непосредственно на медный наконечник одной
системы. Это позволяет как эффективно управлять рабо- из вакуумных трубок гелиоколлектора, без подклю-
той системы, так и проводить научно-исследовательскую чения последней в общий теплосъемник. Показания
18
2. лАбОрАтОрІя
температуры этого датчика в ночное время должны ственной циркуляции жидкого теплоносителя опре-
быть равны температуре воздуха. деляются равенством:
Q = Gc (tr - tx), где
- Тепловой нагрев теплоносителя в теплосьем- G – скорость циркуляции теплоносителя, кг/ч;
нике солнечного коллектора посторонними источ- с – теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг°С)’,
никами тепла. tr – температура теплоносителя в горячей ветви
Отсутствие постороннего теплового нагрева гелиокол- системы (на выходе из бака накопителя), °С;
лектора в ходе проведения эксперимента мы опред- tx – температура теплоносителя в холодной ветви
еляем с помощью датчика температуры окружающей системы (на входе в бак-накопитель), °С.
среды, установленного непосредственно на гелио-
коллекторе. Показания этого датчика в ночное время Если принять за:
должны быть равны температуре воздуха. tr1 температуру теплоносителя на выходе из бака-
накопителя при условиях отсутствия возможности цир-
- Несанкционированная принудительная циркуля- куляции теплоносителя;
ция теплоносителя в системе. tx1 температуру теплоносителя на входе в бак-
Отсутствие принудительной циркуляции в ночное вре- накопитель при условиях отсутствия возможности цир-
мя в ходе проведения исследования будет обеспечено куляции теплоносителя;
путем механического отключения питания насосов, с tr2 температуру теплоносителя на выходе из бака-
целью предупреждения несанкционированного крат- накопителя при условиях возможности циркуляции
ковременного включения насосов в программе управ- теплоносителя;
ления гелиосистемой. tx2 температуру теплоносителя на входе в бак-
накопитель при условиях возможности циркуляции
2. Определение параметров, изменение которых теплоносителя;
будет свидетельствовать о наличии процесса
естественной циркуляции в системе в ночное время то при проведении экспериментов № 4 и № 5 разни-
и как следствие вызывать ННСК. ца температур tr1- tx 1 = 1 °С;
- Увеличение температуры на гелиоколлекторе; а при проведении эксперимента № 3 разница тем-
- уменьшение температуры в баке-аккумуляторе; ператур tr2- tx 2 = 6 °С.
- соотношение показаний датчиков температуры,
установленных в фитинг подач и возврата теплоноси- Если учесть, что:
теля в бак-аккумулятор на расстоянии трех метров от G – скорость движения теплоносителя в обеих сис-
входа и выхода в гелиоколлектор, соответственно. темах одинакова, так как:
используется один и тот же насос;
3. Определение мест установки датчиков, в обоих экспериментах используется один и тот же
последовательность проведения исследования, фитинг;
визуализация и описание полученных данных. в обоих случаях используется одна и та же гелиоус-
- Места (точки установки и крепления) температурных тановка;
датчиков при проведении исследования изображены теплоплоемкость теплоносителя в обоих случаях
на рис. 1; одинакова,
- последовательность проведения исследований, по-
ложение органов управления и измеряемые параметры то потери тепла в первом случае будут равны:
приведены в таблице № 1; Q1 = Gc (tr1-tx2);
- графические результаты полученных измерений потери тепла во втором случае будут равны:
изображены на рис. 2-9; Q2 = Gc (tr2-tx2);
- описание полученных данных в ходе проведения соотношение Q2/Q1 = K – коэффициент потерь
исследования приведены в таблице № 2. вследствие ННСК.
III. Расчеты потерь вследствие ННСК на основе В нашем случае:
практически полученных данных в ходе K = Q2/Q1 = Gc (tr2-tx2)/ Gc (tr1-tx1) = (tr2-tx2)/ (tr1-
проведенных экспериментов tx1) = 6,
Тепловые потери гелиоустановки вследствие есте- К = 6.
19
3. лАбОрАтОрІя
Следовательно, потери тепла вследствие ННСК в Тепловые потери гелиоустановки вследствие есте-
ходе проведения эксперимента оказались как мини- ственной циркуляции жидкого теплоносителя, как было
мум в 6 (шесть) раз больше, чем при естественном сказано выше, определяются равенством
охлаждении бака-аккумулятора в ночное время. А так Q = Gc (tr - tx).
как разница температур tr2 - tx2 в период проведе- Скорость циркуляции теплоносителя G может быть
ния эксперимента достигала 10°С, то можно предпо- найдена из соотношения
ложить, что коэффициент К может находиться в пре- G = 3600ƒωρ, где
делах 6 < К > 10. f – площадь сечения трубопровода;
Количество тепловой энергии, необходимое для на- w – линейная скорость теплоносителя в трубопро-
гревания воды в баке-аккумуляторе определяется по воде, м/с;
формуле: р – плотность теплоносителя, кг/м3.
Q = mc (tr-tx), где Линейную скорость теплоносителя в трубопроводе
m – масса воды, кг; можно найти, исходя из законов гидродинамики. Если
с – теплоемкость воды, кДж/(кг°С)’, принять линейный закон изменения плотности тепло-
tr – температура воды в баке-накопителе после окон- носителя в зависимости от высоты рабочей части обо-
чания нагрева, °С; греваемого аппарата ha (м), а также от высоты змееви-
tx – температура воды в баке-накопителе до нача- ка в печи hп (м), то напор, определяющий движение
ла нагрева, °С. теплоносителя в системе, составит
∆ρ = gH(ρx-ρг), где
Если принять за: H=h+0,5(hа+hп);
tr 1 температуру воды в баке-накопителе 2 по окон- h – высота, определяющая положение обогреваемо-
чании нагрева в дневное время; го аппарата над печью, м;
tx1 температуру воды в баке-накопителе 2 до нача- рх и рг – плотности теплоносителя соответственно в
ла нагрева в дневное время;
холодной и горячей ветвях системы, кг/м3.
tr2 температуру воды в баке-накопителе 2 до охлаж-
Сопротивление горячей и холодной ветвей циркуля-
дения в ночное время вследствие ННСК;
ционной системы может быть выражено в виде
tx2 температуру воды в баке-накопителе 2 после
охлаждения в ночное время вследствие ННСК; ρxωx2 ρгωг3
∆ρx+ ∆ρг= (1+∑ ξx)+ (1+∑ ξг),
то при проведении эксперимента в период с 08:00 – 2 2
14:00 26 ноября 2009 года получаем где ωх и ωr — линейная скорость теплоносителя со-
tr1 - tx1 = 33 - 23 = 10 °С; ответственно в холодной и горячей ветвях, м/с;
а при проведении эксперимента в период с 23:00 – ∑ ξx и ∑ ξг — сумма сопротивлений соответственно хо-
7:00 27 ноября 2009 года, получаем лодной и горячей ветвей.
tr2 - tx2 = 32 - 27 = 5 °С. При одном и том же сечении трубопровода в холод-
Данные измерений приведены на графике № 3. ной и горячей ветвях, согласно закону неразрывности
Количество тепловой энергии, необходимое для на- потока, ωxpxg = ωгpгg. Следовательно,
гревания воды в баке-аккумуляторе: ωг = ωx ρx/ρг.
Q1 = mc (tr1-tx2), Подставляя найденное значение wг, получим:
а потери тепловой энергии во втором случае будут ωx2ρx2 1+∑ ξx 1+∑ ξг
равны ∆ρx+ ∆ρг=
2
( ρx
+ ρг
)
Q2 = mc (tr2-tx2) При установившемся процессе
Q1/Q2 = Gc (tr1-tx1)/ Gc (tr2-tx2) = (tr1-tx1)/ (tr2-tx2) ∆ρx+ ∆ρг= ∆ρ = gH(ρx-ρг).
=2 Следовательно,
Таким образом, в ходе проведения эксперимента
было определено, что вследствие эффекта ННСК те-
ряется 50 % тепла, выработанного гелиоустановкой в
ωx =
1
ρx √ 2gH(ρx-ρг)
(1+∑ ξx) /ρx + (1+∑ ξг) /ρг
Из соотношения следует, что тепловые потери
дневное время.
гелиосистемы за счет эффекта ННСК возрастают в сле-
IV. Определение физических параметров, дующих случаях:
влияющих на потери тепла в ночное время за счет - с увеличением разности высот расположения ге-
естественной циркуляции теплоносителя. лиоколлектора и бака-накопителя;
20
4. лАбОрАтОрІя
- с увеличением разности плотностей теплоноси- V. Эффекты, установленные в ходе выполнения
телей в холодной и горячей ветвях. исследований, и не связанные с ННСК
С ростом гидравлических сопротивлений системы При проведении экспериментов был установлен
тепловые потери в ночное время уменьшаются. эффект принудительного охлаждения воды в баке-
Условия, при которых происходит циркуляция тепло- аккумуляторе в период низкой солнечной интенсив-
носителя в ночное время суток, вследствие чего про- ности в течении дня.
исходит ННСК: График на рис. 8.
- физическая возможность циркуляции жидкости; Время проведения эксперимента 12:30 – 15.00 28
- бак-накопитель должен находиться ниже солнеч- ноября 2009 года.
ного коллектора; Места установки температурных датчиков приведены
- температура в баке-накопителе должна превышать на рис. 1
температуру воздуха вблизи солнечного коллектора. Исходное положение органов управления:
№ п/п Органы управления. Измеряемые параметры Положение органов управления
1 Кран на выходе бака аккумулятора системы № 2 открыт
2 Кран на входе бака аккумулятора системы № 2 открыт
3 Поворотное устройство отключено
4 Направление плоскости коллектора № 1 юг
5 Направление плоскости коллектора № 2 юг
6 Циркуляционный насос гелиосистемы № 1 включен
7 Циркуляционный насос гелиосистемы № 2 включен
8 Температура на выходе гелиоколлектора t2 измеряется
9 Температура на гелиомодуле (возвратка) t3 измеряется
10 Температура на выходе бака-аккумулятора t4 измеряется
Результаты измерений, представленные на графике, составляет более 30 градусов. Так как интенсивность со-
свидетельствуют о том, что согласно установленной лнечного излучения в этот период недостаточна, чтобы
универсальной программе для контроллера, который поддерживать температуру 43 градуса на коллекторе
управляет механизмами гелиосистемы: длительное время, насос почти сразу выключается.
при достижении разницы температур t2 – t4 = 7 гра- Времени работы насоса хватает только на то, чтобы
дусов включается насос гелиомодуля, и начинается теплый теплоноситель из бака-аккумулятора подать в
циркуляция теплоносителя по замкнутому кругу “ге- фитинг, находящийся на крыше, где он начинает охлаж-
лиомодуль – бак-аккумулятор – гелиомодуль;” даться температурой воздуха; холодный же теплоно-
при достижении разницы температур t2 – t4 = 2 гра- ситель из фитинга, находящегося на крыше, подает-
дуса насос гелиомодуля выключается, и циркуляция ся в бак-аккумулятор, охлаждая воду в нем. Данный
теплоносителя прекращается. процесс повторяется несколько раз, теплоноситель в
фитингах на открытой поверхности крыши в период,
Цикл включения и выключения насоса повторяется когда насос не работает, быстро охлаждается, за счет
за указанный период четыре раза, как видно на гра- низкой температуры воздуха в среднем на 5 градусов
фике на рис. 8. Такой алгоритм включения насоса до- за один час. А низкая интенсивность солнечного излу-
лжен обеспечивать постепенный нагрев воды в баке- чения в данный период не позволяет солнечному кол-
аккумуляторе. лектору обеспечить достаточную мощность для нагре-
Из графика на рис. 8 видно, что вместо нагрева воды ва теплоносителя.
происходит ее охлаждение за три с половиной часа Таким образом, можно сделать вывод, что в работе
работы насосов на 3 (три) градуса. Это происходит по- гелиосистем возможны периоды работы, когда эффект
тому, что первоначальная разность температур меж- будет прямо противоположным ожидаемому. Вмес-
ду температурой коллектора и температурой теплоно- то нагрева мы будем иметь эффект охлаждения воды
сителя в фитингах системы, проложенных на открытой в баке-аккумуляторе, значит, программное обеспече-
поверхности крыши в момент, когда включается насос, ние для контроллера в обязательном порядке должно
21
5. лАбОрАтОрІя
быть адаптировано к условиям эксплуатации системы восемь часов ночного времени могут быть до десяти
и иметь несколько режимов работы. раз больше относительно естественного охлаждения
воды в баке аккумуляторе.
VІ. Общие выводы 5. Потери тепла в следствии эффекта «ННСК» со-
ставляют 50% от теплоты выработанной гелиоустанов-
1. Эффект ночного нагрева солнечного коллекто- кой в дневное время.
ра «ННСК» вызван естественной циркуляцией тепло- 6. Эффект «ННСК» можно устранить путем уста-
носителя в ночное время. новки клапана в фитинг трубопровода подачи тепло-
2. Эффект «ННСК» негативно влияет на работу носителя обеспечивающего отсутствие циркуляцию
гелиосистемы. жидкости в ночное время.
3. Тепловые потери гелиосистемы за счет эффекта 7. В работе гелиоустановки кроме эффекта эффекта
«ННСК» возрастают в следующих случаях: «ННСК» существует эффект принудительного охлажде-
- С увеличением разности высот расположения гели- ния воды в баке аккумуляторе в утреннее время и в пе-
околлектора и бака накопителя; риод низкой солнечной интенсивности на протяжении
- С увеличением разности плотностей теплоносите- дня.
лей в холодной и горячей ветвях; 8. Универсальная программа для контроллера,
- С ростом гидравлических сопротивлений системы который управляет работой гелиосистемы требует об-
тепловые потери в ночное время уменьшаются язательной адаптации для условий эксплуатации уста-
4. Потери тепла в следствии эффекта «ННСК» за новки.
№ График изменения Время проведения Результаты измерений Вывод
эксперимента температуры эксперимента
№1 Рис. 2 20:00 – 7:00 •Температура воды в Эффект ННСК
20-21.11.09 баках-аккумуляторах су- отсутствует
щественно не изменя-
ется (в пределах одного
градуса).
•Температуры теплоно-
сителя на выходах гели-
околлекторов 1-й и 2-й
гелиосистем равны тем-
пературе окружающей
среды.
№2 Рис. 2 23:00 – 7:00 •Температура воды Эффект ННСК
21-22.11.09 в баке-аккумуляторе наблюдается
гелиосистемы-1 изменя-
ется, но не существен-
но (уменьшилась на 1
(один) градус).
•Температура воды
в баке-аккумуляторе
гелиосистемы-2 изме-
няется существенно –
уменьшилась на 6 гра-
дусов.
•Температура тепло-
носителя на выходе
гелиоколлектора-1
гелиосистемы № 1 рав-
на температуре окружа-
ющей среды.
•Температура тепло-
носителя на выходе
гелиоколлектора-2
гелиосистемы № 2 была
выше температуры воз-
духа. Разность этих тем-
ператур составляла 5-6
градусов.
22
6. лАбОрАтОрІя
№3 Рис. 3 23:00 – 7:00 •Температура воды Эффект ННСК
26-27.11.09 в баке-аккумуляторе наблюдается
гелиосистемы-1 изменя-
ется, но не существен-
но (уменьшилась на 1
(один) градус).
•Температура воды
в баке-аккумуляторе
гелиосистемы-2 изме-
няется существенно
(уменьшилась на 6 гра-
дусов).
•Температура тепло-
носителя на выходе
гелиоколлектора 1
гелиосистемы № 1 рав-
на температуре окружа-
ющей среды.
•Температура тепло-
носителя на выходе
гелиоколлектора 2
гелиосистемы № 2 была
больше температуры
воздуха. Разность этих
температур составляла
5-10 градусов.
№3 Рис. 5 23:00 – 7:00 t5 – температура на Теплоноситель циркули-
Рис. 8 26-27.11.09 фитинге подачи те- рует в направлении, как
плоносителя в бак- и при принудительной
аккумулятор меньше, циркуляции днем
чем t6 – температура
на фитинге возврата те-
плоносителя из бака-
аккумулятора.
№4 Рис. 4 23:00 – 7:00 •Температура воды в Эффект ННСК
26-27.11.09 баке-аккумуляторе су- отсутствует
щественно не изменя-
ется (в пределах одного
градуса).
•Температура тепло-
носителя на выходе
гелиоколлектора
гелиосистемы равна
температуре окружаю-
щей среды.
№4 Рис. 5 23:00 – 7:00 t5 – температура на Теплоноситель
Рис. 6 27-28.11.09 фитинге подачи те- не циркулирует.
плоносителя в бак- Эффект смешивания
аккумулятор равна тем- не обнаружен.
пературе t6 на фитинге
возврата теплоносителя
из бака-аккумулятора.
№5 Рис. 4 23:00 – 7:00 •Температура воды в Эффект ННСК
28-29.11.09 баке-аккумуляторе су- отсутствует
щественно не изменя-
ется (в пределах одного
градуса).
•Температура тепло-
носителя на выходе
гелиоколлектора
гелиосистемы равна
температуре окружаю-
щей среды.
№5 Рис. 5 23:00 – 7:00 t5 – температура на фи- Теплоноситель
Рис. 6 28-29.11.09 тинге подачи теплоно- не циркулирует.
сителя в бак аккумуля- Эффект смешивания
тор равна температуре не обнаружен
t6 на фитинге возврата
теплоносителя из бака-
аккумулятора.
Таблица № 2
23
7. лАбОрАтОрІя
Температура на выходе Температура на выходе
гелиоколлектора t7 гелиоколлектора t2
Температура воздуха t1
Температура на гелио- Температура на гелио -
модуле (возвратка) t8 модуле (возвратка) t3
Расход теплоносителя Расход теплоносителя
гелиоконтура V см. куб гелиоконтура V см. куб
Температура на выходе Температура на выходе
бака-аккумулятора t9 бака-аккумулятора t4
Рис. 1
24
8. лАбОрАтОрІя
Исходное положе- Эксперимент 1 Эксперимент 2 Эксперимент 3 Эксперимент 4 Эксперимент 5
ние органов управ-
ления,
измеряемые 23:00 – 7:00 23:00 – 7:00 23:00 – 7:00 23:00 – 7:00 23:00 – 7:00
параметры 20-21.11.09 21-22.11.09 26-27.11.09 27-28.11.09 28-29.11.09
Кран на выходе закрыт закрыт _________ _________ _________
бака-аккумулятора
системы № 1
Кран на выходе закрыт закрыт _________ _________ _________
бака-аккумулятора
системы № 1
Кран на выходе закрыт открыт открыт закрыт открыт
бака-аккумулятора
системы № 2
Кран на входе закрыт открыт открыт открыт закрыт
бака-аккумулятора
системы № 2
Поворотное устрой- отключено отключено отключено отключено отключено
ство
Направление плос- юг юг юг _________ _________
кости коллектора
№1
Направление плос- юг юг юг юг юг
кости коллектора
№2
Циркуляционный отключен отключен отключен _________ _________
насос
гелиосистемы № 1
Циркуляционный отключен отключен отключен отключен отключен
насос
гелиосистемы №2
Температура воз- измеряется измеряется измеряется измеряется измеряется
духа t1
Температура на измеряется измеряется измеряется измеряется измеряется
выходе гелиокол-
лектора t2
Температура на ге- измеряется измеряется измеряется измеряется измеряется
лиомодуле (воз-
вратка) t3
Температура на измеряется измеряется измеряется измеряется измеряется
выходе бака-
аккумулятора t4
Температура на фи- _________ _________ измеряется измеряется измеряется
тинге возвратки те-
плоносителя из
бака-аккумулятора
t5
Температура на фи- _________ _________ измеряется измеряется измеряется
тинге подачи те-
плоносителя в бак-
аккумулятор t6
Расход теплоноси- измеряется измеряется измеряется измеряется измеряется
теля системы № 1
V см куб
Расход теплоноси- измеряется измеряется измеряется измеряется измеряется
теля системы № 2
V см куб
Температура на измеряется измеряется _________ _________ _________
выходе гелиокол-
лектора t7
Температура на ге- измеряется измеряется _________ _________ _________
лиомодуле (воз-
вратка) t8
Температура на измеряется измеряется _________ _________ _________
выходе бака-
аккумулятора t9
Таблица № 1
25
