РОЗРАХУНОК

1. Необхідна витрата тепла на гаряче водопостачання душової установки за розрахунковий період:

Q_г.в. = 1,2 ∙а∙ с∙ (t_г.в. – t_х.в.)∙ N∙ n, (1)

де а – витрата гарячої води на 1 чоловіка у день. Приймаємо
а = 120 л/чол∙день;

с = 4,19 кДж/(кг∙ К) – теплоємність води;

n = 31 + 30 + 31 + 31 + 30 = 153 дні.

Q_г.в. = 1,2 ∙120∙ 4,19∙ (50 – 20)∙ 100∙ 153 = 27,7∙10⁷кДж/сезон=277ГДж/сезон.

2. Визначення денного надходження сумарної (прямої+розсіяної) Е і розсіяної Е_р сонячної енергії. За даними метеоспостережень Державної метеослужби України в таблиці 1.1 представлені дані по Е і Е_р для географічного місця селища Ялта [1].

 

Таблиця 1.1 – Денне надходження сумарної Е і розсіяної Е_р сонячної радіації для с. Ялта по місяцях [МДж/(м²∙день)]

Показник	V	VІ	VІІ	VІІІ	ІX
Е	20,52	22,66	23,62	20,79	16,96
Ер	8,1	7,78	6,68	6,34	5,28

 

3. Визначення надходження сумарної сонячної енергії за сезон, МДж/м²∙ місяць (Е^сез):

Травень: 20,52∙ 31 = 636,1 МДж/(м²×міс);

Червень: 22,66∙ 30 = 679,8 МДж/(м²×міс);

Липень: 23,62∙ 31 = 732,8 МДж/(м²×міс);

Серпень: 20,79∙ 31 = 644,5 МДж/(м²×міс);

Вересень: 16,96∙ 30 = 508,8 МДж/(м²×міс);

Отримані дані характеризують кількість сонячної енергії, що падає на 1 м² горизонтальної плоскої поверхні.

Для одержання максимальної кількості сонячної енергії пласка поверхня КСЕ повинна знаходитися під визначеним кутом до площини земної поверхні (до обрію). За практичними даними оптимальний кут нахилу сонячного колектора до обрію складає:

b = j + 15° – для систем опалення;

b = j – для систем гарячого водопостачання цілорічної дії;

b = j – 15° – для систем сезонної (літньої) дії.

Для даної задачі β=φ–15˚=29˚. Тому необхідно зробити перерахунок для похилої поверхні, вводячи коефіцієнт R.

4. Визначення поправочного коефіцієнта перерахунку кількості сонячної енергії з горизонтальної поверхні на похилу поверхню сонячного колектора з південною орієнтацією.

Коефіцієнт R дорівнює сумі трьох складових, відповідно прямого, розсіяного і відбитого сонячного випромінювання:

, (2)

де Е_р – середньомісячна денна кількість розсіяного сонячного випромінювання, що надходить на горизонтальну поверхню (таблиця 1.1);

Е – сумарна середньомісячна денна кількість сонячного випромінювання, що надходить на горизонтальну поверхню (таблиця 1.1);

R_п – середньомісячний коефіцієнт перерахування прямого сонячного випромінювання з горизонтальної на похилу поверхню;

ρ – коефіцієнт відбивання (альбедо) поверхні Землі і навколишніх тіл, прийнятий для розрахунків сонячних установок рівний 0,7 - для зими і 0,2 - для літа.

Величина R_п розраховується по формулі:

, (3)

де δ – відхилення сонця в середній день місяця, град (кут між лінією, що з'єднує центри Землі і Сонця, і її проекцією на площину екватора).

1 – колектор сонячної енергії (КСЕ); 2 – водяний колектор;

3 – розширювальний бачок; 4 – бак-акумулятор; 5 – теплообмінник;

6 – зворотний клапан; 7 – душова установка

 

Рисунок 1.1 – Сонячна нагрівальна установка

 

Відхилення Сонця δ на протязі року безупинно змінюється від
-23˚27' у день зимового сонцестояння 22 грудня до +23˚27' у день літнього сонцестояння 22 червня і дорівнює нулю в дні весняного й осіннього рівнодення (21 березня і 23 вересня).

Відхилення сонця в даний день року можна визначити по формулі:

, град; (4)

де n – порядковий номер дня, відлічений від 1 січня.

При розрахунку сонячних установок у якості n звичайно береться номер середнього розрахункового дня місяця для І – ХІІ місяців року. У таблиці 1.2 приводяться дані n і d для середнього дня кожного місяця.

 

Таблиця 1.2 – Відмінювання Сонця для середнього дня кожного місяця року

 

Місяць	І	ІІ	ІІІ	ІV	V	VІ	VІІ	VІІІ	ІX	X	XI	ХІI
n
δ,град	-20,9	-13,0	-2,4	9,4	18,8	23,1	21,2	13,5	2,2	-9,6	-18,9	-23,0

 

Годинний кут ω, що використовується у формулі (3) – це кут, що лежить в екваторіальній площині між проекцією радіуса Землі в географічній точці сонячної установки і проекцією лінії, що з'єднує центри Землі і Сонця. Наприклад кут ω = 0 у сонячний полудень, у 1 г дня відповідає 15°, опівночі 180°. При ω<90° він має знак “+”, а при 90°–знак “-”.

Годинний кут заходу (сходу) Сонця для горизонтальної поверхні визначається по формулі:

, (5)

Як годинний кут заходу Сонця для похилої поверхні з південною орієнтацією приймають меншу з двох величин: ω_з чи величину ω_з.н., розраховується за формулою:

, (6)

Визначимо годинний кут для пласкої і похилої поверхні по формулах (5) і (6), використовуючи значення δ таблиці 1.2, і дані розрахунку зведемо в таблицю 1.3.

 

Таблиця 1.3 – Розрахункові значення ω_з і ω_з.н. для літніх і весняних місяців року

Місяць	травень	червень	липень	серпень	вересень
ωз, град	110,0	114,5	112,0	103,5	92,2
ωз.н., град	95,5	97,0	96,0	93,5	90,7

 

Як годинний кут заходу Сонця для розрахунку величини R_п у формулі (3) для похилої поверхні з південною орієнтацією використовують меншу з двох величин ω_з чи ω_з.н. таблиці 1.3. Як видно з даних цієї таблиці, у формулі (3) треба використовувати значення ω_з.н.

Підставимо відомі й отримані розрахунком значення кутів у формулу (3) для визначення величини R_п. Дані розрахунку для кожного місяця зведемо в таблицю 1.4.

 

Таблиця 1.4 – Коефіцієнт перерахування сонячного випроміню-вання для похилої поверхні КСЕ

Місяць	травень	червень	липень	серпень	вересень
Rп	1,053	1,032	1,041	1,073	1,301

 

Розрахунок величини R з використанням розрахованих значень R_п і значень величин Е^міс і Е_р ведеться по формулі (2), а дані зводяться у таблицю 1.5.

 

Таблиця 1.5 – Коефіцієнт перерахування значення R

Місяць	травень	червень	липень	серпень	вересень
R	1,023	1,008	1,012	1,042	1,260

 

5. Розрахунок денного надходження сумарної Е_к сонячної енергії, що падає на похилу поверхню сонячної установки за літній сезон:

6. Розрахунок площі поверхні колектора сонячної енергії (КСЕ)

, (7)

де η – коефіцієнт корисної дії КСЕ.

З досвіду експлуатації КСЕ η стаціонарних сонячних установок з похилими пласкими теплоприймачами, орієнтованими на південь складає η = 0,65 – 0,75 [1].

Для розрахунку приймаємо η = 0,70 і загальна площа поверхні всієї установки складе:

, м²

7. Обсяг водяного акумулятора теплоти складе:

V = V_уд∙ F, (8)

де V_уд=0,05–0,07м³/м² для сонячних колекторів з водяним заповненням [1]. Для розрахунку приймаємо V_уд = 0,06

V= 0,06∙ 116,7 = 7,0 м³.

8. Річна економія палива складе:

 

, (9)

де - теплота спалювання умовного палива, дорівнює 29.33 МДж/кг;

- ККД водонагрівальної установки, що працює на твердому, рідкому чи газоподібному паливі. Приймаємо
η_з.у. = 0,75

.

 

Дані для розрахунку наведені в додатках А і Б.