Nbsp; CALCUL Systèmes d'approvisionnement en chaleur utilisant des capteurs solaires thermiques Lignes directrices effectuer des travaux de calcul et de graphisme pour les étudiants de toutes les formes d'études dans la spécialité Centrales électriques, centrales électriques basées sur des sources d'énergie non traditionnelles et renouvelables CALCUL Systèmes d'approvisionnement en chaleur utilisant des capteurs solaires thermiques : lignes directrices pour effectuer des travaux de calcul et de graphisme pour les étudiants de tous formes d'études dans la spécialité Centrales électriques, centrales électriques basées sur des sources d'énergie non traditionnelles et renouvelables / A. V. CONTENU 1. POSTES THÉORIQUES 1.1. Conception et principales caractéristiques d'un capteur solaire plan 1.2. Éléments de base et diagrammes schématiques des systèmes chauffage solaire 2. ÉTAPES DE CONCEPTION 3. CALCUL DE LA CHALEUR POUR CHAUFFER UN BÂTIMENT 3.1. Dispositions de base 3.2. Détermination des pertes thermiques par transmission 3.3. Détermination de la consommation de chaleur pour le chauffage air de ventilation

3.4. Détermination des coûts de chauffage pour l'alimentation en eau chaude 4. CALCUL D'UN SYSTÈME D'APPROVISIONNEMENT EN CHALEUR SOLAIRE BIBLIOGRAPHIE DISPOSITIONS THÉORIQUES

Conception et principales caractéristiques d'un capteur solaire plat Le capteur solaire plat (SC) est l'élément principal des systèmes chauffage solaire et fourniture d'eau chaude. Le principe de son fonctionnement est simple. La plupart tombant sur le capteur est absorbé par la surface, qui est « noire » par rapport au rayonnement solaire. Une partie de l'énergie absorbée est transférée au fluide circulant dans le collecteur, et le reste est perdu suite à l'échange thermique avec l'environnement. La chaleur évacuée par le fluide est une chaleur utile qui est soit stockée, soit utilisée pour couvrir la charge calorifique.

Les principaux éléments du capteur sont les suivants : une plaque d'absorption, généralement en métal, avec un revêtement noir non réfléchissant pour assurer une absorption maximale du rayonnement solaire ; des canalisations ou canaux dans lesquels circule du liquide ou de l'air et qui sont en contact thermique avec la plaque absorbante ; isolation thermique des bords inférieurs et latéraux de la plaque ; un ou plusieurs entrefers séparés par des revêtements transparents à des fins d'isolation thermique de la plaque supérieure ; et enfin, un boîtier qui assure durabilité et résistance aux intempéries. Sur la fig. 1 affiché coupes transversales chauffe-eau et air.

Riz. 1. Représentation schématique des capteurs solaires avec réfrigérants à eau et à air : 1 – isolation thermique ; 2 – canal d'air ; 3 – revêtements transparents ; 4 – plaque absorbante ; 5 – tuyaux reliés à la plaque.

Le revêtement transparent est généralement en verre. Le verre présente une excellente résistance aux intempéries et de bonnes propriétés mécaniques. Il est relativement peu coûteux et peut présenter une transparence élevée avec une faible teneur en oxyde de fer. Les inconvénients du verre sont la fragilité et la masse importante. Outre le verre, des matières plastiques peuvent également être utilisées. Le plastique est généralement moins sujet à la casse, léger et peu coûteux en feuilles minces. Cependant, il n’est généralement pas aussi résistant aux intempéries que le verre. La surface d'une feuille de plastique se raye facilement et de nombreux plastiques se dégradent et jaunissent avec le temps, ce qui entraîne une transmission solaire réduite et une détérioration. résistance mécanique. Un autre avantage du verre par rapport au plastique est que le verre absorbe ou réfléchit tout le rayonnement (thermique) à ondes longues incident sur lui, émis par la plaque absorbante. Perte de chaleur dans environnement par rayonnement sont réduits plus efficacement que dans le cas d'un revêtement plastique, qui transmet une partie du rayonnement à ondes longues.

Un collecteur plan absorbe à la fois le rayonnement direct et diffus. Le rayonnement direct provoque une ombre projetée par un objet éclairé par le soleil. Le rayonnement diffus est réfléchi et diffusé par les nuages ​​et la poussière avant d'atteindre la surface de la Terre ; Contrairement au rayonnement direct, il n’entraîne pas de formation d’ombres. Le capteur plan est généralement installé de manière fixe sur le bâtiment. Son orientation dépend du lieu et de la période de l'année pendant laquelle l'installation solaire doit fonctionner. Le capteur plan fournit la chaleur de faible qualité nécessaire pour chauffer l'eau et chauffer la pièce.

Les capteurs solaires à focalisation (à concentration), y compris ceux dotés d'un concentrateur parabolique ou d'un concentrateur de Fresnel, peuvent être utilisés dans les systèmes de chauffage solaire. La plupart des capteurs focalisés utilisent uniquement le rayonnement solaire direct. L'avantage d'un collecteur focalisant par rapport à un collecteur plat est qu'il présente une plus petite surface à partir de laquelle la chaleur est perdue dans l'environnement, et donc fluide de travail peut y être chauffé à plus températures élevées que dans les collecteurs plats. Cependant, pour les besoins en chauffage et en eau chaude, des températures plus élevées ne font que peu ou pas de différence. Pour la plupart des systèmes à concentration, le capteur doit suivre la position du soleil. Les systèmes qui n’imagent pas le soleil nécessitent généralement des ajustements plusieurs fois par an.

Il faut distinguer les caractéristiques instantanées d'un réservoir (c'est-à-dire les caractéristiques à un instant donné, dépendant des conditions météorologiques et d'exploitation du moment) et ses caractéristiques à long terme. En pratique, le capteur du système solaire thermique fonctionne dans des conditions très diverses tout au long de l'année. Dans certains cas, le mode de fonctionnement est caractérisé par une température élevée et un faible rendement du collecteur, dans d'autres cas, au contraire, par une température basse et un rendement élevé.

Pour considérer l'exploitation d'un réservoir dans des conditions variables, il est nécessaire de déterminer la dépendance de ses caractéristiques instantanées aux facteurs météorologiques et d'exploitation. Pour décrire les caractéristiques du collecteur, deux paramètres sont nécessaires, l'un déterminant la quantité d'énergie absorbée et l'autre la perte de chaleur dans l'environnement. Ces paramètres sont mieux déterminés par des tests qui mesurent l’efficacité instantanée du réservoir dans une gamme appropriée de conditions.

L'énergie utile retirée du collecteur à un moment donné est la différence entre la quantité énergie solaire, absorbée par la plaque collectrice, et la quantité d'énergie perdue dans l'environnement. Une équation qui peut être utilisée pour presque tout calculer structures existantes le collecteur plat a la forme :

où est l'énergie utile retirée du collecteur par unité de temps, W ; - surface du collecteur, m2 ; - coefficient d'évacuation de la chaleur du collecteur ; - densité de flux du rayonnement solaire total dans le plan du capteur W/m2 ; - transmission des revêtements transparents par rapport au rayonnement solaire ; - capacité d'absorption de la plaque collectrice par rapport au rayonnement solaire ; - coefficient de perte de chaleur totale du capteur, W/(m 2 °C) ; - température du liquide à l'entrée du collecteur, °C ; - température ambiante, °C.

Le rayonnement solaire tombant sur le collecteur à tout moment se compose de trois parties : le rayonnement direct, le rayonnement diffus et le rayonnement réfléchi par le sol ou les objets environnants, dont l'ampleur dépend de l'angle d'inclinaison du collecteur par rapport à l'horizon et de la nature de ceux-ci. objets. Lorsque le collecteur est testé, la densité de flux de rayonnement je mesuré à l'aide d'un pyranomètre installé au même angle d'inclinaison par rapport à l'horizon que le collecteur. Utilisé dans les calculs f-la méthode nécessite la connaissance des arrivées mensuelles moyennes de rayonnement solaire à la surface du capteur. Le plus souvent, les ouvrages de référence contiennent des données sur les arrivées mensuelles moyennes de rayonnement sur une surface horizontale.

La densité de flux du rayonnement solaire absorbé par la plaque collectrice à un moment donné est égale au produit de la densité de flux du rayonnement incident je, transmission du système de revêtement transparent t et capacité d'absorption de la plaque collectrice un. Ces deux dernières quantités dépendent du matériau et de l'angle d'incidence du rayonnement solaire (c'est-à-dire l'angle entre la normale à la surface et la direction des rayons du soleil). Les composants directs, diffus et réfléchis du rayonnement solaire arrivent à la surface du capteur sous différents angles. Par conséquent, les caractéristiques optiques t Et un doit être calculé en tenant compte de la contribution de chaque composante.

Le collecteur perd de la chaleur de diverses manières. Les pertes de chaleur de la plaque vers les revêtements transparents et du revêtement supérieur vers l'air extérieur se produisent par rayonnement et convection, mais le rapport de ces pertes dans le premier et le deuxième cas n'est pas le même. La perte de chaleur à travers le fond isolé et les parois latérales du capteur est due à la conductivité thermique. Les capteurs doivent être conçus de manière à ce que toutes les pertes thermiques soient minimes.

Produit du coefficient de perte totale UL et la différence de température dans l'équation (1) représente la perte de chaleur de la plaque absorbante, à condition que sa température soit partout égale à la température du fluide d'entrée. Lorsque le liquide est chauffé, la plaque collectrice a une température plus élevée que la température d'entrée du liquide. Ce condition nécessaire transfert de chaleur de la plaque au liquide. Par conséquent, la perte de chaleur réelle du collecteur plus grande valeur travaux. La différence de pertes est prise en compte à l'aide du coefficient d'évacuation de la chaleur FR.

Facteur de perte totale UL est égal à la somme des coefficients de perte à travers l'isolation transparente, les parois inférieures et latérales du capteur. Pour un collecteur bien conçu, la somme des deux derniers coefficients est généralement d'environ 0,5 à 0,75 W/(m 2 °C). Le coefficient de perte à travers l'isolation transparente dépend de la température de la plaque absorbante, du nombre et du matériau des revêtements transparents, du degré d'émissivité de la plaque dans la partie infrarouge du spectre, de la température ambiante et de la vitesse du vent.

L'équation (1) est pratique pour calculer les systèmes d'énergie solaire, puisque l'énergie utile du collecteur est déterminée par la température du liquide à l'entrée. Cependant, les pertes de chaleur vers l'environnement dépendent de la température moyenne de la plaque absorbante, qui est toujours supérieure à la température d'entrée si le liquide est chauffé lors de son passage dans le capteur. Coefficient de dissipation thermique FR est égal au rapport de l'énergie utile réelle lorsque la température du fluide dans le collecteur augmente dans le sens de l'écoulement, à l'énergie utile lorsque la température de l'ensemble de la plaque absorbante est égale à la température du fluide à l'entrée.

Coefficient FR dépend du débit de fluide à travers le capteur et de la conception de la plaque absorbante (épaisseur, propriétés du matériau, distance entre les tuyaux, etc.) et est presque indépendant de l'intensité du rayonnement solaire et des températures de la plaque absorbante et de l'environnement.

Éléments de base et schémas de principe des systèmes de chauffage solaire

Les systèmes de chauffage solaire (ou systèmes solaires thermiques) peuvent être divisés en passifs et actifs. Les plus simples et les moins chers sont les systèmes passifs, ou « maisons solaires", qui utilisent l'architecture et éléments de construction bâtiments et ne nécessitent pas équipement supplémentaire. Le plus souvent, de tels systèmes comprennent un mur noirci du bâtiment orienté au sud, à une certaine distance duquel se trouve un revêtement transparent. Il y a des ouvertures en haut et en bas du mur qui relient l'espace entre le mur et le revêtement transparent à l'intérieur du bâtiment. Le rayonnement solaire chauffe le mur : l'air qui lave le mur est chauffé par celui-ci et pénètre dans le bâtiment par l'ouverture supérieure. La circulation de l'air est assurée soit par convection naturelle, soit par un ventilateur. Malgré certains avantages des systèmes passifs, les systèmes actifs dotés d'équipements spécialement installés pour collecter, stocker et distribuer le rayonnement solaire sont principalement utilisés, car ces systèmes améliorent l'architecture du bâtiment, augmentent l'efficacité de l'utilisation de l'énergie solaire et permettent également un meilleur contrôle de l'énergie thermique. charger et élargir le champ d'application. Sélection, composition et disposition des éléments système actif le chauffage solaire dans chaque cas spécifique est déterminé par des facteurs climatiques, le type d'objet, le mode de consommation de chaleur et les indicateurs économiques. Un élément spécifique de ces systèmes est le capteur solaire ; les éléments utilisés, tels que les échangeurs de chaleur, les batteries, les sources de chaleur d'appoint, les appareils sanitaires, sont largement utilisés dans l'industrie. Le capteur solaire assure la conversion du rayonnement solaire en chaleur transférée au liquide de refroidissement chauffé circulant dans le capteur.

Outre les principaux éléments décrits ci-dessus, systèmes solaires les systèmes de chauffage peuvent inclure des pompes, des canalisations, des éléments de systèmes d'instrumentation et d'automatisation, etc. Diverses combinaisons de ces éléments conduisent à une grande variété de systèmes de chauffage solaire en termes de caractéristiques et de coûts. Basé sur l'utilisation de centrales solaires, les problèmes de chauffage, de refroidissement et d'approvisionnement en eau chaude pour les logements, bâtiments administratifs, installations industrielles et agricoles.

Les installations solaires ont la classification suivante :

1) selon le but :

Systèmes d'approvisionnement en eau chaude ;

Systèmes de chauffage ;

Installations combinées pour l'approvisionnement en chaleur et en froid ;

2) selon le type de liquide de refroidissement utilisé :

Liquide;

Air;

3) par durée de travail :

Toute l'année ;

Saisonnier;

4) par solution technique schémas :

Circuit unique ;

Double circuit ;

Multi-circuit.

Les liquides de refroidissement les plus couramment utilisés dans les systèmes de chauffage solaire sont les liquides (eau, solution d'éthylène glycol, substances organiques) et l'air. Chacun d'eux présente certains avantages et inconvénients. L'air ne gèle pas et ne crée pas de problèmes majeurs liés aux fuites et à la corrosion des équipements. Cependant, en raison de la faible densité et de la faible capacité thermique de l'air, la taille des installations d'air et la consommation électrique pour pomper le liquide de refroidissement sont supérieures à celles des systèmes liquides. C’est pourquoi les liquides sont préférés dans la plupart des systèmes solaires thermiques en fonctionnement. Pour les besoins du logement et des collectivités, le principal liquide de refroidissement est l'eau.

Lors du fonctionnement des capteurs solaires pendant des périodes de températures extérieures négatives, il est nécessaire soit d'utiliser de l'antigel comme liquide de refroidissement, soit d'éviter d'une manière ou d'une autre le gel du liquide de refroidissement (par exemple, en vidant l'eau en temps opportun, en la chauffant, en isolant le capteur solaire).

Les systèmes de chauffage solaire de faible capacité qui alimentent de petits consommateurs éloignés fonctionnent souvent selon le principe de la circulation naturelle du liquide de refroidissement. Le réservoir d'eau est situé au-dessus du capteur solaire. Cette eau est fournie à la partie inférieure du système d'alimentation en eau, située à un certain angle, où elle commence à se réchauffer, à changer de densité et à monter par gravité vers le haut à travers les canaux collecteurs. Puis elle va à partie supérieure réservoir, et sa place dans le collecteur est prise eau froide de sa partie inférieure. Le mode de circulation naturelle est établi. Dans les systèmes plus puissants et efficaces, la circulation de l'eau dans le circuit des capteurs solaires est assurée à l'aide d'une pompe.

Des diagrammes schématiques des systèmes de chauffage solaire sont présentés dans la Fig. 2, 3 peuvent être divisés en deux groupes principaux : les installations fonctionnant en circuit ouvert ou à flux direct (Fig. 2) ; installations fonctionnant en circuit fermé (Fig. 3). Dans les installations du premier groupe, le liquide de refroidissement est fourni aux capteurs solaires (Fig. 2 a, b) ou à l'échangeur thermique du circuit solaire (Fig. 2 c), où il est chauffé et fourni soit directement au consommateur, soit au réservoir de stockage. Si la température du liquide de refroidissement après l'installation solaire est inférieure au niveau spécifié, le liquide de refroidissement est chauffé dans une source de chaleur d'appoint. Les schémas considérés sont principalement utilisés dans les installations industrielles, dans des systèmes à accumulation de chaleur à long terme. Pour assurer un niveau de température constant du liquide de refroidissement à la sortie du capteur, il est nécessaire de modifier le débit du liquide de refroidissement conformément à la loi d'évolution de l'intensité du rayonnement solaire au cours de la journée, ce qui nécessite l'utilisation de appareils automatiques et complique le système. Dans les schémas du deuxième groupe, le transfert de chaleur des capteurs solaires s'effectue soit via un réservoir de stockage, soit par mélange direct de liquides de refroidissement (Fig. 3 a), soit via un échangeur de chaleur, qui peut être situé à la fois à l'intérieur du réservoir ( 1.4 b) et à l'extérieur (Fig. 3c). Le liquide de refroidissement chauffé est fourni au consommateur via le réservoir et, si nécessaire, réchauffé dans une source de chaleur d'appoint. Installations fonctionnant selon les schémas présentés à la Fig. 3, peut être à circuit unique (Fig. 3 a), à double circuit (Fig. 3 b) ou à multicircuit (Fig. 3 c, d).

Riz. 2. Schémas schématiques des systèmes à flux direct : 1-capteur solaire ; 2- batterie; 3-échangeur de chaleur

Riz. 3. Schémas schématiques des systèmes de chauffage solaire

L'utilisation de l'une ou l'autre version du système dépend de la nature de la charge, du type de consommateur, de facteurs climatiques, économiques et d'autres conditions. Considéré dans la Fig. 3 schémas trouvés jusqu'à présent meilleure application, car ils se caractérisent par une simplicité et une fiabilité de fonctionnement comparatives.

Étapes de réalisation des travaux

Le travail de calcul et de graphisme comprend les principales étapes suivantes :

1) Exécution du dessin « Plan de construction ».

2) Sélection d'une conception thermique pour un système de chauffage utilisant des capteurs solaires

3) Exécution du dessin « Schéma de chauffage et d'alimentation en eau chaude par capteurs solaires thermiques »

4) Calcul de la charge de chauffage (chauffage et fourniture d'eau chaude).

5) Calcul du système de chauffage solaire et de la part de la charge thermique apportée par l'énergie solaire f- méthode.

6) Rédaction d'une note explicative.

En moyenne sur l'année, selon les conditions climatiques et la latitude de la zone, le flux de rayonnement solaire à la surface de la Terre varie de 100 à 250 W/m2, atteignant des valeurs maximales à midi par temps clair, dans presque n'importe quel endroit. (quelle que soit la latitude), environ 1 000 W/m2. Dans des conditions zone médiane En Russie, le rayonnement solaire « apporte » à la surface de la Terre une énergie équivalente à environ 100 à 150 kg de combustible standard par m 2 et par an.

Modélisation mathématique de l'installation de chauffe-eau solaire la plus simple, réalisée à l'Institut des Hautes Températures Académie russe les sciences utilisant des logiciels modernes et des données d'une année météorologique typique ont montré qu'en réalité conditions climatiques En Russie centrale, il est conseillé d'utiliser des chauffe-eau solaires plats saisonniers fonctionnant de mars à septembre. Pour une installation avec un rapport entre la surface du capteur solaire et le volume du réservoir de stockage de 2 m 2 /100 l, la probabilité de chauffage quotidien de l'eau pendant cette période à une température d'au moins 37 ° C est de 50 à 90 % , jusqu'à une température d'au moins 45 °C - 30- 70 %, jusqu'à une température d'au moins 55 °C - 20-60 %. Valeurs maximales les probabilités se réfèrent aux mois d'été.

"Ton Maison ensoleillée» développe, assemble et fournit des systèmes à circulation de liquide de refroidissement passive et active. Vous pouvez trouver une description de ces systèmes dans les sections correspondantes de notre site Web. La commande et l'achat s'effectuent via.

La question est souvent posée de savoir s'il est possible d'utiliser des systèmes de chauffage solaire pour se chauffer dans les conditions russes. Un article séparé a été écrit sur ce sujet - « Support de chauffage solaire »

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1. Capteurs solaires.

Le capteur solaire est l’élément principal de l’installation dans lequel l’énergie du rayonnement solaire est convertie en une autre forme d’énergie utile. Contrairement aux échangeurs de chaleur conventionnels, dans lesquels un transfert de chaleur intense se produit d'un fluide à un autre et où le rayonnement est insignifiant, dans un capteur solaire, le transfert d'énergie vers le fluide s'effectue à partir d'une source d'énergie radiante éloignée. Sans concentration de rayons solaires, la densité de flux du rayonnement incident est, au mieux, de -1 100 W/m2 et est variable. Les longueurs d'onde sont comprises entre 0,3 et 3,0 microns. Elles sont nettement plus petites que les longueurs d’onde du rayonnement intrinsèque de la plupart des surfaces absorbant le rayonnement. Ainsi, la recherche sur les capteurs solaires présente des défis uniques en matière de transfert de chaleur à des densités de flux d'énergie faibles et variables et un rôle relativement important pour le rayonnement.

Les capteurs solaires peuvent être utilisés avec ou sans rayonnement solaire concentré. Dans les capteurs plans, la surface qui reçoit le rayonnement solaire est également la surface qui absorbe le rayonnement. Les collecteurs focalisants, généralement dotés de réflecteurs concaves, concentrent le rayonnement incident sur toute leur surface sur un échangeur de chaleur de plus petite surface, augmentant ainsi la densité de flux énergétique.

1.1. Capteurs solaires plats. Un capteur solaire plan est un échangeur de chaleur conçu pour chauffer un liquide ou un gaz en utilisant l'énergie du rayonnement solaire.

Les capteurs plans peuvent être utilisés pour chauffer le liquide de refroidissement à des températures modérées, t ≈ 100 o C. Leurs avantages incluent la possibilité d'utiliser à la fois le rayonnement solaire direct et diffus ; ils ne nécessitent pas de suivi solaire et ne nécessitent pas d'entretien de routine. Structurellement, ils sont plus simples qu’un système composé de réflecteurs concentrés, de surfaces absorbantes et de mécanismes de suivi. Le champ d'application des capteurs solaires concerne les systèmes de chauffage pour les bâtiments résidentiels et industriels, les systèmes de climatisation, l'approvisionnement en eau chaude, ainsi que les centrales électriques à fluide de travail à faible point d'ébullition, fonctionnant généralement selon le cycle de Rankine.

Les principaux éléments d'un capteur solaire plat typique (Fig. 1) sont : une surface « noire » qui absorbe le rayonnement solaire et transfère son énergie au liquide de refroidissement (généralement liquide) ; des revêtements transparents au rayonnement solaire situés au-dessus de la surface absorbante, qui réduisent les pertes par convection et par rayonnement dans l'atmosphère ; isolation thermique des surfaces de retour et d'extrémité du collecteur pour réduire les pertes dues à la conductivité thermique.

Figure 1. Diagramme schématique capteur solaire plat.

UN) 1 - revêtements transparents ; 2 - isolation ; 3 - tuyau de liquide de refroidissement ; 4 - surface absorbante ;

b) 1.surface qui absorbe le rayonnement solaire, 2 canaux de liquide de refroidissement, 3 verres (??), 4 corps,

5- isolation thermique.

Fig.2 Capteur solaire de type tôle.

1 - collecteur hydraulique supérieur ; 2 - collecteur hydraulique inférieur ; 3 - n tuyaux situés à une distance W les uns des autres ; 4 - feuille (plaque absorbante); 5- connexion ; 6 - tuyau (pas à l'échelle) ;

7 - isolation.

1.2. Efficacité du collecteur. L'efficacité d'un collecteur est déterminée par son efficacité optique et thermique. L'efficacité optique η o montre quelle partie du rayonnement solaire qui atteint la surface du vitrage collecteur est absorbée par la surface noire absorbante, et prend en compte les pertes d'énergie liées à la différence de transmission du verre et au coefficient d'absorption du verre. surface absorbante de l'unité. Pour collecteur avec vitrage monocouche

où (τα) n est le produit du facteur de transmission du verre τ et du coefficient d'absorption α qui absorbe le rayonnement de la surface à chute normale les rayons du soleil.

Si l'angle d'incidence des rayons diffère de l'angle d'incidence direct, un facteur de correction k est introduit, prenant en compte l'augmentation des pertes par réflexion des verres et des surfaces absorbant le rayonnement solaire. Sur la fig. La figure 3 montre les graphiques k = f(1/ cos 0 - 1) pour les capteurs avec vitrage simple couche et double couche. Efficacité optique prenant en compte l'angle d'incidence des rayons autres que directs,

Riz. 3. Facteur de correction prenant en compte la réflexion de la lumière solaire sur la surface du verre et la surface absorbante noire.

En plus de ces pertes, dans un collecteur de toute conception, il y a des pertes de chaleur dans l'environnement Q sueur, qui sont prises en compte par l'efficacité thermique, qui est égale au rapport de la quantité de chaleur utile évacuée du collecteur dans un un certain temps à la quantité d'énergie de rayonnement qui lui parvient du Soleil dans le même temps :

où Ω est la surface d'ouverture du collecteur ; I est la densité de flux du rayonnement solaire.

Les efficacités optique et thermique d'un collecteur sont liées par la relation

Les pertes thermiques sont caractérisées par le coefficient de perte totale U

où T a est la température de la surface noire qui absorbe le rayonnement solaire ; T environ - température ambiante.

La valeur de U peut être considérée comme constante avec une précision suffisante pour les calculs. Dans ce cas, remplacer Qpot dans la formule d’efficacité thermique conduit à l’équation

L’efficacité thermique d’un capteur peut également s’écrire en termes de température moyenne du liquide de refroidissement qui le traverse :

où T t = (T in + T out) /2 - température moyenne du liquide de refroidissement ; F" est un paramètre généralement appelé « efficacité du capteur » et caractérisant l'efficacité du transfert de chaleur de la surface absorbant le rayonnement solaire au liquide de refroidissement ; il dépend de la conception du capteur et est presque indépendant d'autres facteurs ; valeurs typiques du paramètre F"≈ : 0,8- 0,9 - pour les collecteurs d'air plats ; 0,9-0,95 - pour les collecteurs de liquide plats ; 0,95-1,0 - pour les collecteurs à vide.

1.3. Collecteurs sous vide. Dans les cas où un chauffage à des températures plus élevées est nécessaire, des collecteurs sous vide sont utilisés. Dans un capteur sous vide, le volume contenant la surface noire qui absorbe le rayonnement solaire est séparé de l'environnement par un espace évacué, ce qui peut réduire considérablement les pertes de chaleur dans l'environnement dues à la conductivité thermique et à la convection. Les pertes par rayonnement sont supprimées dans une large mesure grâce à l'application d'un revêtement sélectif. Étant donné que le coefficient de perte totale dans un capteur sous vide est faible, le liquide de refroidissement qu'il contient peut être chauffé à des températures plus élevées (120-150 °C) que dans un capteur plat. Sur la fig. La figure 9.10 montre des exemples de conception de collecteurs à vide.

Riz. 4. Types de collecteurs de vide.

1 - tube de liquide de refroidissement ; 2 - plaque avec un revêtement sélectif qui absorbe le rayonnement solaire ; 3 caloduc; 4 éléments d'évacuation de la chaleur ; 5 tubes en verre avec revêtement sélectif ; b - chambre à air pour l'alimentation en liquide de refroidissement ; 7 récipients extérieurs en verre ; 8 vide

MINISTÈRE ÉNERGIE ET ​​ÉLECTRIFICATION URSS

DÉPARTEMENT SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE PRINCIPAL
ÉNERGIE ET ​​ÉLECTRIFICATION

INSTRUCTIONS METHODOLOGIQUES
POUR LE CALCUL ET LA CONCEPTION
SYSTÈMES DE CHAUFFAGE SOLAIRE

AR 34.20.115-89

SERVICE D'EXCELLENCE POUR SOYUZTEKHENERGO

Moscou 1990

DÉVELOPPÉ Ordre d'État de l'Institut du Drapeau Rouge du Travail, de la Recherche Scientifique et de l'Énergie, nommé d'après. G.M. Krjijanovsky

INTERPRÈTES M.N. EGAI, O.M. KORSHUNOV, A.S. LEONOVITCH, V.V. NUSHTAYKIN, V.K. RYBALKO, B.V. TARNICHEVSKI, V.G. BOULYCHEV

APPROUVÉ Direction Scientifique et Technique Principale de l'Energie et de l'Electrification 12/07/89

Chef V.I. SANGLANT

La période de validité est fixée

du 01.01.90

jusqu'au 01/01/92

Ces lignes directrices établissent la procédure à suivre pour effectuer les calculs et contiennent des recommandations pour la conception de systèmes de chauffage solaire à usage résidentiel, public et bâtiments industriels et des structures.

Les lignes directrices sont destinées aux concepteurs et ingénieurs impliqués dans le développement de systèmes de chauffage solaire et de fourniture d'eau chaude.

. DISPOSITIONS GÉNÉRALES

où f - part de la charge thermique annuelle moyenne totale fournie par l'énergie solaire ;

où F - superficie du SC, m2.

où H est le rayonnement solaire total annuel moyen sur une surface horizontale, kWh/m2 ; localisé depuis l'application ;

une, b - paramètres déterminés à partir des équations () et ()

où r - caractéristiques des propriétés d'isolation thermique de l'enveloppe du bâtiment pour une valeur fixe de la charge d'ECS, c'est le rapport entre la charge de chauffage journalière à une température de l'air extérieur de 0 °C et la charge d'ECS journalière. Plus r , plus la part de la charge de chauffage est importante par rapport à la part de la charge ECS et moins la conception du bâtiment est parfaite en termes de déperditions thermiques ; r = 0 est pris en compte uniquement Systèmes ECS. La caractéristique est déterminée par la formule

où λ est la perte de chaleur spécifique du bâtiment, W/(m 3 °C) ;

m - nombre d'heures dans une journée ;

k - taux de renouvellement de l'air de ventilation, 1/jour ;

ρ dans - densité de l'air à 0 °C, kg/m3 ;

f - taux de remplacement, porté approximativement entre 0,2 et 0,4.

Valeurs de λ, k, V, t in, s fixées lors de la conception du SST.

Valeurs du coefficient α pour les capteurs solaires Types II et III

Valeurs du coefficient β pour les capteurs solaires Types II et III

Valeurs des coefficients a et bsont de la table. .

Les valeurs des coefficients a et b selon le type de capteur solaire

où qi - capacité calorifique annuelle spécifique du SGVS aux valeurs f différent de 0,5 ;

Δq - évolution de la puissance calorifique spécifique annuelle du SGVS, %.

Modification de la puissance calorifique spécifique annuelleΔq de l'apport annuel de rayonnement solaire sur une surface horizontale H et coefficient f

Annexe 2

Caractéristiques thermiques des capteurs solaires

Annexe 3

Caractéristiques techniques des capteurs solaires

Annexe 4

Caractéristiques techniques des échangeurs de chaleur à circulation type TT

Annexe 5

Arrivée annuelle du rayonnement solaire total sur une surface horizontale (N), kW h/m 2

Remarques e. Les liquides de refroidissement à base de carbonate de potassium ont les compositions suivantes (fraction massique) :

Recette 1 Recette 2

Carbonate de potassium, 1,5-eau 51,6 42,9

Phosphate de sodium, 12-hydraté 4,3 3,57

Silicate de sodium, 9-hydraté 2,6 2,16

Tétraborate de sodium, 10-hydraté 2,0 1,66

Fluoreszoïne 0,01 0,01

Eau Jusqu'à 100 Jusqu'à 100

L'élément principal des systèmes d'alimentation en chaleur active est le capteur solaire (SC). Dans les systèmes modernes d'alimentation en chaleur à basse température (jusqu'à 100 ° C), utilisé pour convertir l'énergie solaire en chaleur de faible qualité pour l'approvisionnement en eau chaude, le chauffage et autres. les processus thermiques utilisent un capteur dit plan, qui est un capteur solaire et un absorbeur à travers lequel circule le liquide de refroidissement ; La structure est isolée thermiquement à l'arrière et vitrée en façade.

Dans les systèmes d'alimentation en chaleur à haute température (supérieure à 100 °C), des capteurs solaires à haute température sont utilisés. Actuellement, le plus efficace d'entre eux est considéré comme le capteur solaire à concentration Luza, qui est un creux parabolique avec un tube noir au centre, sur lequel le rayonnement solaire est concentré. De tels collecteurs sont très efficaces lorsqu'il est nécessaire de créer des conditions de température supérieures à 100 °C pour l'industrie ou pour la production de vapeur dans l'industrie électrique. Ils sont utilisés dans certaines centrales solaires thermiques en Californie ; pour l’Europe du Nord, ils ne sont pas assez efficaces car ils ne peuvent pas utiliser le rayonnement solaire diffus.

Expérience mondiale. En Australie, les liquides en dessous de 100°C consomment environ 20 % de la consommation totale d'énergie. Il a été établi que pour assurer eau chaude 80% rural bâtiments résidentiels pour 1 personne, vous avez besoin de 2...3 m2 de surface de capteur solaire et d'un réservoir d'eau d'une capacité de 100...150 litres. Les installations d'une superficie de 25 m2 et d'un chauffe-eau de 1000...1500 litres, fournissant de l'eau chaude pour 12 personnes, sont très demandées.

Au Royaume-Uni, les résidents ruraux couvrent 40 à 50 % de leurs besoins en énergie thermique grâce à l'utilisation du rayonnement solaire.

En Allemagne le station de recherche Une installation de chauffe-eau solaire active (surface de capteurs 65 m2) a été testée près de Düsseldorf, permettant d'obtenir en moyenne 60 % de la chaleur nécessaire par an, et 80...90 % en été. Dans les conditions allemandes, une famille de 4 personnes peut pleinement se chauffer si elle dispose d'une toiture énergétique d'une superficie de 6...9 m2.

Le plus largement énergie thermique Le soleil est utilisé pour chauffer les serres et y créer un climat artificiel ; Plusieurs méthodes d'utilisation de l'énergie solaire dans ce sens ont été testées en Suisse.

En Allemagne (Hanovre) à l'Institut de Technologie, d'Horticulture et d'Agriculture, possibilité d'utiliser des capteurs solaires placés à côté de la serre ou intégrés à sa structure, ainsi que les serres elles-mêmes comme capteur solaire à l'aide d'un liquide teinté passé à travers le double revêtement de la serre et rayonnement solaire chauffé Les résultats des recherches ont montré que, dans les conditions climatiques de l'Allemagne, le chauffage utilisant uniquement l'énergie solaire tout au long de l'année ne satisfait pas pleinement les besoins en chaleur. Les capteurs solaires modernes dans les conditions allemandes peuvent répondre aux besoins de l'agriculture en eau chaude en été à hauteur de 90 %, en hiver de 29 à 30 % et pendant la période de transition de 55 à 60 %.

Solaire actif systèmes de chauffage le plus courant en Israël, en Espagne, sur l'île de Taiwan, au Mexique et au Canada. Rien qu'en Australie, plus de 400 000 foyers sont équipés de chauffe-eau solaires. En Israël, plus de 70 % de toutes les maisons unifamiliales (environ 900 000) sont équipées chauffe-eau solaires avec des capteurs solaires superficie totale 2,5 millions de m2, ce qui offre la possibilité d'économiser annuellement du carburant d'environ 0,5 million de tep.

L'amélioration constructive des SC plats se produit dans deux directions :

• recherche de nouveaux matériaux structurels non métalliques ;
• amélioration des caractéristiques optiques et thermiques de l'ensemble absorbeur-élément transparent le plus important.