Постановка задачи. Об использовании солнечных водонагревателей в климатических условиях средней полосы России

Рассматривается простейшая солнечная водонагревательная установка с объемом бака 100 литров (рис.1). Бак теплоизолирован. Циркуляция воды в контуре солнечный коллектор — бак может быть естественная или принудительная. На результаты анализа это обстоятельство не оказывает существенного влияния.

Основная цель анализа состоит в определении возможности нагрева воды в баке в течение дня до определенной температуры, приемлемой для потребителя, за счет энергии солнечного излучения с учетом реальных климатических условий (интенсивность солнечной радиации, изменяющейся в течение дня, температура наружного воздуха).

В качестве контрольных выбраны три уровня температур нагрева воды в баке: 37^оС (это та температура, при которой вода ощущается нами как теплая), 45 и 55^оС. Для бытовых целей (душ, мытье посуды, стирка белья и т. п.), как показывает практический опыт и статистические зарубежные данные, нагрев воды выше 40 — 45^оС не требуется.

Площадь солнечного коллектора в проводимых расчетах варьировалась в пределах 1 — 3 м². Забегая вперед, отметим, что увеличение площади солнечного коллектора более 3 м² в расчете на 100 литровый бак естественно приводит к повышению максимальной температуры воды в баке и более раннему в течение дня достижению выбранных контрольных температур, но при этом вероятность ежедневного нагрева воды до требуемой температуры существенно не возрастает. Таким образом, исходя из бытового назначения установки, увеличение площади солнечного коллектора более 3 м² оказывается нецелесообразным, так как сопряжено с неоправданным увеличением стоимости установки.

Рассматривались три типа солнечных коллекторов: простейший одностекольный солнечный коллектор с неселективным «черным» покрытием, двухстекольный солнечный коллектор с таким же покрытием теплопоглощающей панели и одностекольный коллектор с селективным покрытием. Теплотехнические характеристики рассмотренных коллекторов, базирующиеся на реально достижимых в производстве показателях, приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Моделирование работы солнечной водонагревательной установки осуществлялось с использованием современного мощного программного продукта TRNSYS, разработанного в Висконсинском университете (США) и широко используемого зарубежными научными центрами для моделирования работы солнечных установок.

Для упрощения анализа предполагалось, что ежедневно нагретая вода вечером (после захода солнца) сливается из бака, и установка вновь заполняется холодной водой с температурой 10^оС.

В качестве исходной климатической информации использовался так называемый типичный метеогод (TMY), разработанный с участием ГГО им. Воейкова (С.-Петербург) на основе статистической обработки многолетних наблюдений метеостанций города Москвы в соответствии с международно принятой методологией. Типичный метеогод включает в себя ежечасную информацию о прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, температуре воздуха, его влажности и скорости и направлении ветра. Именно наличие такой подробной и достоверной климатической информации позволило впервые выполнить достаточно детальный анализ влияния реальных местных климатических условий на работу солнечных установок.

Целевой функцией проведенного анализа являлось количество дней в каждом месяце, в течение которых вода в баке нагревалась до установленного контрольного уровня температуры.