Підвищення ефективності комбінованої системи теплопостачання з геліопокрівлею

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню актуальної проблеми підвищення ефективності систем сонячного теплопостачання з геліопокрівлею, яка поєднує її конструктивно-архітектурну функцію з можливістю поглинання нею сонячної енергії та перетворення її в теплову енергію при зниженні матеріальних і трудових затрат. Створено математичну модель системи теплопостачання з геліопокрівлею та здійснено математичне моделювання її роботи, що дало змогу визначити термоакумуляційні властивості геліосистеми. Розроблено схемні рішення різних конструкцій геліопокрівлі, для яких проведено комплекс досліджень ефективності систем теплопостачання з геліопокрівлею залежно від кутів падіння та інтенсивності теплового потоку, швидкості та напряму вітру. Отримано графічні та аналітичні залежності, з використанням їх для інженерних розрахунків геліосистем. Розроблено методику інженерного розрахунку та комп’ютерну програму для визначення параметрів системи сонячного теплопостачання з різними конструкціями геліопокрівлі, а також варіанти її використання в комбінованих системах. Визначено економічну ефективність використання геліопокрівлі у системах теплопостачання. Диссертация посвящена решению актуальной проблемы повышения эффективности систем солнечного теплоснабжения с гелиокровлей, которая сочетает конструкционно-архитектурные функции с возможностью поглощения падающей солнечной энергии ее металлическим профильно-гофрированным покрытием для превращения в тепловую энергию за счет трубок контура циркуляции теплоносителя, вмонтированного в контакте с листовым теплопоглотителем непосредственно в конструкцию кровли. Создана математическая модель работы системы солнечного теплоснабжения с гелиокровлей, что позволяет определить ее термоакумуляционные свойства при разной скорости воздействия на нее ветрового потока. Проведен комплекс лабораторных исследований влияния определяющих факторов (углов падения и интенсивности теплового потока, направления и скорости ветра) на эффективность работы различных вариантов конструкции гелиокровли. На основе проведенных экспериментальных исследований построены графические и аналитические зависимости эффективности разработанных систем с гелиокровлей для инженерных расчетов систем солнечного теплоснабжения. Результаты исследований представлены в виде соответствующих номограмм, обработка которых позволяет решать как прямые, так и обратные задачи оценки эффективности гелиосистем при комплексной изменении уровня влияния на гелиокровлю определяющих факторов. Для проведения экспериментальных исследований была составлена матрица планирования трифакторного эксперимента с учетом взаимодействия факторов, на основе которой получено уравнение регрессии, которая позволяет определить количественное влияние факторов на функцию отклика. Получены экспериментальные данные оценки эффективности гелиосистем в зависимости от схемы расположения трубок контура циркуляции теплоносителя относительно теплопоглотителя в конструкции гелиокровли. Показана более высокая эффективность системы теплоснабжения гелиокровлей при расположении циркуляционных трубок на поверхности гофрированного теплопоглотителя по сравнению с вариантом их расположение под ними. Исследована степень влияния ветрового потока на работу гелиокровли и установлено приоритетное влияние на ее эффективность скорости ветра и значительно меньшее влияние направления его действия. Экспериментально подтверждена возможность повышения эффективности комбинированной с гелиокровлей системы солнечного теплоснабжения при использовании прозрачного покрытия на поверхности теплопоглотителя. Апробация разработанной системы теплоснабжения в натурных условиях подтверждает ее работоспособность и полученные результаты подтверждают ее работоспособность и достоверность лабораторных исследований. Разработана методика инженерного расчета и компьютерная программа для определения параметров системы солнечного теплоснабжения с различными конструкциями гелиокровли, а также варианты ее использования в различных системах солнечного теплоснабжения. При расчете удельной тепловой мощности гелиокровли учитываются коэффициенты эффективности различных конструкций гелиокровли, которые определяются по соответствующим эмпирическим зависимостям, полученных экспериментальным путем. На основе разработанного метода составлено компьютерную программу для расчета параметров системы солнечного теплоснабжения с гелиокровлей. По расчету установлено, что удельная тепловая мощность гелиокровли с прозрачным покрытием в течение дня достигает 660 Вт/м2. При этом КПД гелиосистемы с гелиокровлей составляет 72%. Схемные решения использования разработанных конструкций гелиокровли в комбинированных системах солнечного теплоснабжения защищены патентами Украины. Определено экономическую эффективность использования гелиокровли в системах солнечного теплоснабжения. Экономическая оценка целесообразности применения системы солнечного теплоснабжения с гелиокровлей осуществлена по приведенным и удельными приведенными годовыми затратами. Установлено, что удельные приведенные затраты системы солнечного теплоснабжения с использованием гелиокровли в среднем на 18% ниже, чем затраты на гелиосистему с использованием традиционных солнечных коллекторов. Срок окупаемости системы солнечного теплоснабжения с использованием гелиокровли составляет 5,9 лет, тогда как срок окупаемости систем солнечного теплоснабжения с обычными солнечными коллекторами составляет 11-9 лет. The mathematical model of the heat supply system with solar roof was created and the mathematical modelling of its operation was conducted, which enabled the determination of the thermal accumulative properties of the solar system. The schematic solutions of various structures of solar roof were developed. The complex of studies in relation to the efficiency of the heat supply systems with solar roof depending on the incidence angles, heat flow intensity, wind velocity and direction was conducted. The graphical and analytical dependences were obtained involving their usage for engineering calculations of the solar systems. The method of engineering calculations and computer program for determination of parameters of the solar heat supply system with different designs of solar roof and options of its usage in the combined systems were developed. The economic efficiency of solar roof usage in the heat supply systems was determined.