Nbsp ; CALCUL Systèmes de production de chaleur utilisant des capteurs solaires thermiques Des lignes directrices effectuer des travaux de calcul et graphiques pour les étudiants de toutes les formes d'enseignement dans la spécialité Centrales électriques, centrales électriques basées sur des sources d'énergie non traditionnelles et renouvelables basées sur des sources d'énergie non traditionnelles et renouvelables / AV SOMMAIRE 1. DISPOSITIONS THÉORIQUES 1.1. Conception et principales caractéristiques d'un capteur solaire plan 1.2. Éléments de base et schémas de circuits des systèmes chauffage solaire 2. ÉTAPES DE LA CONCEPTION 3. CALCUL DE LA CHALEUR POUR LE CHAUFFAGE DU BÂTIMENT 3.1. Dispositions de base 3.2. Détermination des pertes de chaleur par transmission 3.3. Détermination de la consommation de chaleur pour le chauffage ventilation 3.4. Détermination des coûts de chauffage pour l'approvisionnement en eau chaude 4. CALCUL DU SYSTÈME D'APPROVISIONNEMENT SOLAIRE BIBLIOGRAPHIE DISPOSITIONS THÉORIQUES

Conception et principales caractéristiques d'un capteur solaire plan

Le capteur solaire plan (SC) est l'élément principal des systèmes chauffage solaire et alimentation en eau chaude. Le principe de son fonctionnement est simple. La majeure partie du rayonnement solaire incident sur le capteur est absorbée par la surface, qui est "noire" par rapport au rayonnement solaire. Une partie de l'énergie absorbée est transférée au liquide circulant dans le collecteur et le reste est perdu en raison de l'échange de chaleur avec l'environnement. La chaleur emportée par le fluide est une chaleur utile qui est soit stockée, soit utilisée pour couvrir la charge calorifique.

Les principaux éléments du collecteur sont les suivants : une plaque absorbante, généralement en métal, avec un revêtement noir antireflet pour assurer une absorption maximale du rayonnement solaire ; des tuyaux ou canaux par 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 pour isoler la plaque par le dessus ; et enfin, une enceinte qui offre durabilité et résistance aux intempéries. Sur la fig. 1 affiché des sections transversales réchauffeur d'eau et d'air.

Riz. 1. Représentation schématique des capteurs solaires avec réfrigérants eau et 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 a une excellente résistance aux intempéries et de bonnes propriétés mécaniques. Il est relativement peu coûteux et, avec une faible teneur en oxyde de fer, peut avoir une transparence élevée. Les inconvénients du verre sont sa fragilité et sa grande masse. Outre le verre, des matières plastiques peuvent également être utilisées. Les plastiques sont généralement moins sujets à la casse, sont légers et peu coûteux sous forme de feuilles humides. 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 réduit la transmission solaire et la détérioration. force mécanique. Un autre avantage du verre par rapport aux plastiques est que le verre absorbe ou réfléchit tout le rayonnement de grande longueur d'onde (thermique) incident sur lui, émis par la plaque absorbante. Perte de chaleur dans environnement sont réduites par rayonnement plus efficacement que dans le cas d'un revêtement plastique, qui transmet une partie du rayonnement à ondes longues.

Le collecteur plat absorbe à la fois le rayonnement direct et diffus. Le rayonnement direct provoque la projection d'une ombre 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 terrestre ; contrairement au rayonnement direct, il ne conduit pas à la formation d'ombres. Le capteur plan est généralement fixé au bâtiment. Son orientation dépend de l'emplacement et de la période de l'année pendant laquelle la centrale solaire doit fonctionner. Le collecteur à plaques planes fournit la chaleur de faible qualité requise pour l'eau chaude et le chauffage des locaux.

Les capteurs solaires à focalisation (concentration), y compris ceux avec un concentrateur parabolique ou Fresnel, peuvent être utilisés dans les systèmes de chauffage solaire. La plupart des collecteurs focalisants n'utilisent que le rayonnement solaire direct. L'avantage d'un collecteur focalisant par rapport à un collecteur plat est qu'il a une plus petite surface à partir de laquelle la chaleur est perdue dans l'environnement, et donc, Fluide de travail peut y être chauffé jusqu'à plus hautes températures que les collecteurs plats. Cependant, pour les besoins de chauffage et d'eau chaude, une température plus élevée est presque (ou pas du tout) importante. Pour la plupart des systèmes à concentration, le collecteur doit suivre la position du soleil. Les systèmes qui n'affichent pas le soleil nécessitent généralement un réglage plusieurs fois par an.

Il convient de distinguer les caractéristiques instantanées d'un réservoir (c'est-à-dire les caractéristiques à un instant donné en fonction des conditions météorologiques et d'exploitation à cet instant) et ses caractéristiques à long terme. En pratique, le capteur d'un système de chauffage solaire fonctionne dans une large gamme de conditions 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 le travail du collecteur dans des conditions variables, il est nécessaire de déterminer la dépendance de ses caractéristiques instantanées aux facteurs météorologiques et de régime. Pour décrire les caractéristiques du collecteur, deux paramètres sont nécessaires, l'un déterminant la quantité d'énergie absorbée et l'autre déterminant la perte de chaleur dans l'environnement. Ces paramètres sont mieux déterminés par des tests qui mesurent l'efficacité instantanée du collecteur sur une plage appropriée de conditions.

L'énergie utile retirée du collecteur à un instant donné est la différence de la quantité énergie solaire absorbée par la plaque collectrice et la quantité d'énergie perdue dans l'environnement. Une équation qui s'applique au calcul de presque tous structures existantes collecteur plat, ressemble à :

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

Le rayonnement solaire incident 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 la quantité dépend de l'angle du collecteur par rapport à l'horizon et de la nature de ces objets. Lorsqu'un collecteur est testé, la densité de flux de rayonnement je mesuré à l'aide d'un pyranomètre installé au même angle que le collecteur, l'angle d'inclinaison par rapport à l'horizon. Utilisé dans les calculs F- la méthode nécessite la connaissance des arrivées mensuelles moyennes de rayonnement solaire sur 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, capacité de transmission du système de revêtements transparents t et capacité d'absorption de la plaque collectrice un. Les 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 composantes directe, diffuse et réfléchie du rayonnement solaire pénètrent 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 chacun des composants.

Le collecteur perd de la chaleur différentes façons. 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 second cas n'est pas le même. Les pertes de chaleur à travers le fond isolé et les parois latérales du capteur sont dues à la conductivité thermique. Les capteurs doivent être conçus de manière à ce que toutes les pertes de chaleur soient minimales.

Le produit du coefficient de perte totale UL et la différence de température dans l'équation (1) est la perte de chaleur de la plaque absorbante, à condition que sa température soit partout égale à la température du liquide à l'entrée. Lorsque le liquide est chauffé, la plaque collectrice a une température supérieure à la température du liquide à l'entrée. C'est condition nécessaire transfert de chaleur de la plaque vers le liquide. Par conséquent, la perte de chaleur réelle du collecteur plus de valeurœuvres. La différence des pertes est prise en compte à l'aide du coefficient d'évacuation de la chaleur FR.

Facteur de perte totale ULégale à la somme des coefficients de perte à travers l'isolant transparent, le fond et les parois latérales du collecteur. Pour un capteur bien conçu, la somme des deux derniers facteurs est généralement d'environ 0,5 à 0,75 W/(m 2 °C). Le facteur de perte par isolation transparente dépend de la température de la plaque absorbante, du nombre et du matériau des revêtements transparents, du degré de noirceur 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, car l'énergie utile du capteur est déterminée par la température du fluide à l'entrée. Cependant, la perte de chaleur dans l'environnement dépend de la température moyenne de la plaque absorbante, qui est toujours supérieure à la température d'entrée si le liquide est chauffé en traversant le collecteur. Coefficient de dissipation thermique FR est égal au rapport de l'énergie utile réelle lorsque la température du liquide dans le collecteur augmente dans le sens d'écoulement à l'énergie utile lorsque la température de l'ensemble de la plaque absorbante est égale à la température du liquide à l'entrée.

Coefficient FR dépend du débit de liquide à travers le capteur et de la conception de la plaque absorbante (épaisseur, propriétés des matériaux, 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 centrales solaires) peuvent être divisés en passifs et actifs. Les plus simples et les moins chers sont les systèmes passifs, ou " maisons solaires", qui pour la collecte et la distribution de l'énergie solaire utilisent des éléments de construction bâtiments et ne nécessitent pas d'équipement supplémentaire. Le plus souvent, de tels systèmes comprennent un mur de bâtiment noirci orienté au sud, à une certaine distance duquel se trouve un revêtement transparent. Il y a des ouvertures dans les parties supérieure et inférieure du mur reliant l'espace entre le mur et le revêtement transparent avec le volume interne du bâtiment. Le rayonnement solaire chauffe le mur: l'air qui lave le mur en est chauffé et pénètre par l'ouverture supérieure dans les locaux du bâtiment. La circulation de l'air est assurée soit par convection naturelle, soit par un ventilateur. Malgré certains avantages des systèmes passifs, les systèmes actifs sont principalement utilisés avec des équipements spécialement installés pour collecter, stocker et distribuer le rayonnement solaire, car ces systèmes améliorent l'architecture du bâtiment, augmentent l'efficacité de l'utilisation de l'énergie solaire et offrent également un meilleur contrôle sur le charge thermique et élargir la zone d'application. Sélection, composition et disposition des éléments système actif l'apport de chaleur solaire dans chaque cas spécifique, sont déterminés par des facteurs climatiques, le type d'objet, le mode de consommation de chaleur et des indicateurs économiques. Un élément spécifique de ces systèmes est le capteur solaire ; les éléments appliqués, tels que les échangeurs de chaleur, les batteries, les sources de chaleur redondantes, les appareils de plomberie, 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.

En plus des éléments de base décrits ci-dessus, systèmes solaires les systèmes de chauffage peuvent comprendre des pompes, des tuyauteries, des éléments d'instrumentation et d'automatisation, etc. La combinaison différente de ces éléments conduit à une grande variété de systèmes de chauffage solaire en termes de caractéristiques et de coûts. Sur la base de l'utilisation d'installations solaires, les problèmes de chauffage, de refroidissement et d'alimentation en eau chaude des résidences, bâtiments administratifs, installations industrielles et agricoles.

Les centrales solaires sont classées comme suit :

1) sur rendez-vous :

Systèmes d'approvisionnement en eau chaude ;

Systèmes de chauffage;

Installations combinées aux fins de fourniture de chaleur et de 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 schème:

Circuit unique ;

Double circuit ;

Multi-boucle.

Les fluides caloporteurs les plus couramment utilisés dans les systèmes de chauffage solaire sont les liquides (eau, solution d'éthylène glycol, matière organique) et l'air. Chacun d'eux a certains avantages et inconvénients. L'air ne gèle pas, ne crée pas de gros problèmes liés aux fuites et à la corrosion des équipements. Cependant, en raison de la faible densité et de la faible capacité calorifique de l'air, de la taille des installations d'air, la consommation d'énergie pour pomper le liquide de refroidissement est supérieure à celle des systèmes liquides. Par conséquent, dans la plupart des systèmes de chauffage solaire en fonctionnement, les liquides sont préférés. Pour les logements et les besoins collectifs, le principal fluide caloporteur est l'eau.

Lorsque les capteurs solaires fonctionnent pendant des périodes de température extérieure négative, il est nécessaire soit d'utiliser de l'antigel comme liquide de refroidissement, soit d'éviter le gel du liquide de refroidissement d'une manière ou d'une autre (par exemple, en vidant l'eau à temps, en la chauffant, en isolant le capteur solaire) .

Les systèmes de chauffage solaire de faible capacité alimentant de petits consommateurs distants fonctionnent souvent sur le principe de la circulation naturelle du fluide caloporteur. Le réservoir d'eau est situé au-dessus du capteur solaire. Cette eau est fournie à la partie inférieure du SC, située à un certain angle, où elle commence à chauffer, à changer de densité et à monter par gravité dans les canaux collecteurs. Puis elle entre partie supérieure réservoir, et sa place dans le collecteur est occupée par eau froide de son fond. Le mode de circulation naturelle est établi. Dans les systèmes plus puissants et productifs, la circulation de l'eau dans le circuit du capteur solaire est assurée par une pompe.

Schémas de principe des systèmes de chauffage solaire, présentés à la fig. 2, 3 peuvent être divisés en deux groupes principaux : les installations fonctionnant selon un 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 de chaleur du circuit solaire (Fig. 2 c), où il est chauffé et fourni soit directement au consommateur ou au réservoir de stockage. Si la température du caloporteur après l'installation solaire est inférieure au niveau défini, le caloporteur est chauffé dans une source de chaleur de secours. Les schémas considérés sont principalement utilisés dans les installations industrielles, dans les systèmes avec stockage 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 de variation de l'intensité du rayonnement solaire au cours de la journée, ce qui nécessite l'utilisation 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 caloporteurs (Fig. 3 a), soit via un échangeur de chaleur, qui peut être situé à la fois à l'intérieur du réservoir (Fig. 1.4 b) et à l'extérieur (Fig. 3c). Le liquide de refroidissement chauffé entre dans le consommateur par le réservoir et, si nécessaire, est chauffé dans une source de chaleur de secours. Les installations fonctionnant selon les schémas illustrés à la fig. 3, peut être mono-circuit (Fig. 3 a), double-circuit (Fig. 3 b) ou multi-circuit (Fig. 3 c, d).

Riz. 2. Schémas de principe des systèmes à passage unique : 1 capteur solaire ; 2- batterie; 3 échangeurs de chaleur

Riz. 3. Schémas de principe des systèmes de chauffage solaire

L'utilisation de l'une ou l'autre version du schéma dépend de la nature de la charge, du type de consommateur, des facteurs climatiques, économiques et d'autres conditions. Considéré dans la fig. 3 circuits trouvés à ce jour plus grande application, car ils se caractérisent par une simplicité relative, une fiabilité de fonctionnement.

ÉTAPES DE RÉALISATION DES TRAVAUX

Le règlement et le travail graphique comprennent les principales étapes suivantes :

1) Réalisation du dessin "Plan de construction".

2) Sélection du schéma thermique du système de chauffage utilisant des capteurs solaires

3) Exécution du dessin "Schéma de chauffage et d'eau chaude utilisant des capteurs solaires thermiques"

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

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

6) Faire une note explicative.

En moyenne tout au long de l'année, en fonction des conditions climatiques et de la latitude, le flux de rayonnement solaire à la surface de la terre varie de 100 à 250 W / m 2, atteignant des valeurs maximales à midi avec un ciel clair, dans presque tous (indépendamment de latitude) place, environ 1000 W/m2. Dans des conditions voie du milieu 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.

La modélisation mathématique de l'installation de chauffe-eau solaire la plus simple, réalisée à l'Institut des hautes températures de l'Académie des sciences de Russie à l'aide d'outils logiciels modernes et de données d'une année météorologique typique, a montré qu'en temps réel 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 de la surface du capteur solaire au 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 %, à un 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, complète et fournit à la fois une circulation de liquide de refroidissement passive et active. La description de ces systèmes se trouve dans les sections correspondantes de notre site Web. La commande et l'achat sont effectués par.

Très souvent, la question est posée de savoir s'il est possible d'utiliser des installations de chauffage solaire pour le chauffage en Russie. Un article séparé a été écrit à ce sujet - "Soutien solaire pour le chauffage"

Continuer la lecture

1. Collecteurs solaires.

Le capteur solaire est l'élément principal de l'installation, dans lequel l'énergie de rayonnement du Soleil est convertie en une autre forme d'énergie utile. Contrairement aux échangeurs de chaleur conventionnels, dans lesquels il y a un transfert de chaleur intense d'un liquide à un autre, et le rayonnement est insignifiant, dans un capteur solaire, l'énergie est transférée au liquide à partir d'une source d'énergie rayonnante éloignée. Sans la concentration de lumière solaire, la densité de flux du rayonnement incident est au mieux de -1100 W/m 2 et est variable. Les longueurs d'onde sont comprises entre 0,3 et 3,0 µm. Elles sont beaucoup plus petites que les longueurs d'onde intrinsèques de la plupart des surfaces absorbantes. Ainsi, l'étude des capteurs solaires est associée à des problèmes uniques de transfert de chaleur à des densités de flux d'énergie faibles et variables et à un rôle relativement important du rayonnement.

Les capteurs solaires peuvent être utilisés avec et sans concentration de rayonnement solaire. Dans les capteurs plans, la surface qui reçoit le rayonnement solaire est également la surface qui absorbe le rayonnement. Les collecteurs focalisateurs, ayant généralement des 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 d'énergie.

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

Les capteurs plats 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 diffusé ; ils ne nécessitent pas de suivi du soleil et n'ont pas besoin d'entretien quotidien. Structurellement, ils sont plus simples qu'un système composé de réflecteurs de concentration, de surfaces absorbantes et de mécanismes de suivi. La portée des capteurs solaires comprend les systèmes de chauffage pour les bâtiments résidentiels et industriels, les systèmes de climatisation, l'approvisionnement en eau chaude, ainsi que les centrales électriques avec un fluide de travail à bas 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 à un liquide de refroidissement (généralement un liquide) ; des revêtements transparents vis-à-vis du rayonnement solaire, situés au-dessus de la surface absorbante, qui réduisent les pertes par convection et par rayonnement vers l'atmosphère ; isolation thermique des faces arrière et d'extrémité du collecteur pour réduire les pertes dues à la conductivité thermique.

Fig. 1. schéma capteur solaire plat.

un) 1 - revêtements transparents; 2 - isolement; 3 - tuyau avec liquide de refroidissement; 4 - surface absorbante;

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

5- isolation thermique.

Fig.2 Capteur solaire de type feuille-tuyau.

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 - isolement.

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

où (τα) n est le produit de la transmittance du verre τ et du coefficient d'absorption α absorbant le rayonnement de surface à chute normale rayons de soleil.

Dans le cas où l'angle d'incidence des rayons diffère de l'angle direct, un facteur de correction k est introduit, tenant compte de l'augmentation des pertes de réflexion du verre et de la surface qui absorbe le rayonnement solaire. Sur la fig. 3 montre des graphiques k = f(1/ cos 0 - 1) pour des capteurs avec vitrage simple et double couche. Efficacité optique tenant compte de l'angle d'incidence des rayons, qui est différent de l'angle direct,

Riz. 3. Facteur de correction pour la réflexion de la lumière du soleil sur la surface du verre et la surface absorbante noire.

En plus de ces déperditions dans le collecteur de toute conception, il existe des déperditions thermiques vers le milieu Q sudation, qui sont prises en compte par le rendement thermique, qui est égal au rapport de la quantité de chaleur utile évacuée du collecteur sur une certain temps à la quantité d'énergie de rayonnement qui lui parvient du Soleil au cours du même temps :

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

Les rendements optique et thermique d'un capteur sont liés par la relation

Les pertes de chaleur 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, la substitution de Qpot dans la formule de l'efficacité thermique conduit à l'équation

L'efficacité thermique du collecteur peut également s'écrire en fonction de la température moyenne du fluide caloporteur qui le traverse :

où T t \u003d (T in + T out) / 2 - la température moyenne du liquide de refroidissement; F" - un paramètre communément appelé "efficacité du capteur" et caractérisant l'efficacité du transfert de chaleur d'une surface qui absorbe le rayonnement solaire vers un fluide caloporteur ; 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 capteurs à air plats ; 0,9-0,95 - pour les collecteurs de liquide plats ; 0,95-1,0 - pour les capteurs sous vide.

1.3. collecteurs sous vide. Dans le cas où un chauffage à des températures plus élevées est nécessaire, des collecteurs sous vide sont utilisés. Dans un capteur sous vide, le volume dans lequel se trouve la surface noire qui absorbe le rayonnement solaire est séparé de l'environnement par un espace sous vide, ce qui permet de réduire considérablement les pertes de chaleur vers l'environnement dues à la conduction thermique et à la convection. La perte de rayonnement est largement supprimée par l'utilisation d'un revêtement sélectif. Étant donné que le facteur de perte total dans un collecteur 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 collecteur plat. Sur la fig. 9.10 montre des exemples de conception de collecteurs sous vide.

Riz. 4. Types de collecteurs sous vide.

1 - tube avec liquide de refroidissement; 2 - une plaque avec un revêtement sélectif qui absorbe le rayonnement solaire ; 3 caloduc; 4 élément d'évacuation de la chaleur ; 5 tube en verre avec revêtement sélectif ; b - tube intérieur pour l'alimentation en liquide de refroidissement; 7 bouteilles en verre extérieures ; 8 vide

MINISTÈRE ÉNERGIE ET ​​ÉLECTRIFICATION l'URSS

DEPARTEMENT SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE PRINCIPAL
ÉNERGIE ET ​​ÉLECTRIFICATION

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

AR 34.20.115-89

SERVICE DE LA MEILLEURE EXPÉRIENCE POUR "SOYUZTEKHENERGO"

Moscou 1990

DÉVELOPPÉ Ordre d'État de la bannière rouge de l'Institut d'ingénierie de l'énergie de recherche sur le travail. G. M. Krzhizhanovsky

INTERPRÈTES M.N. EGAI, O.M. Korshunov, A.S. Léonovitch, V.V. NUSHTAIKIN, V.K. RYBALKO, B.V. Tarnizhevsky, V.G. BOULYCHEV

A APPROUVÉ Département principal scientifique et technique de l'énergie et de l'électrification 07.12.89

Chef V.I. SANGLANT

La date de péremption est fixée

à partir du 01.01.90

jusqu'au 01.01.92

Ces lignes directrices établissent la procédure de calcul et contiennent des recommandations pour la conception de systèmes de chauffage solaire pour les habitations, les collectivités et les bâtiments industriels et structures.

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

. DISPOSITIONS GÉNÉRALES

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

où F - Superficie SC, m 2 .

où H est le rayonnement solaire total annuel moyen sur une surface horizontale, kWh / m2 ; situé à partir de l'application ;

un B - paramètres déterminés à partir de l'équation () et ()

où r - caractéristique des propriétés d'isolation thermique de l'enveloppe du bâtiment à valeur fixe de la charge ECS, est le rapport de la charge calorifique journalière à une température extérieure de 0 °C sur la charge ECS journalière. Le 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 de chaleur ; r = 0 est accepté dans le calcul uniquement Systèmes ECS. La caractéristique est déterminée par la formule

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

m - le nombre d'heures dans une journée ;

k - taux de fréquence du renouvellement d'air de ventilation, 1/jour ;

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

F - taux de remplacement, pris approximativement de 0,2 à 0,4.

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

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

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

Les valeurs des coefficients a et bsont de la table. .

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

où q je - la puissance calorifique annuelle spécifique de l'ECS à des valeurs f différent de 0,5 ;

∆q - évolution de la puissance calorifique spécifique annuelle de l'ECS, %.

Variation de la valeur de la puissance calorifique annuelle spécifique∆q de l'afflux annuel de rayonnement solaire sur une surface horizontale H et coefficient f

Annexe 2

Caractéristiques thermiques des capteurs solaires

Annexe 3

Spécifications 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 (H), kW h / m 2

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

Recette 1 Recette 2

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

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

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

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

Fluorescope 0,01 0,01

Eau Jusqu'à 100 Jusqu'à 100

L'élément principal des systèmes d'alimentation en chaleur active est un capteur solaire (SC) absorbant à travers lequel circule le liquide de refroidissement; la structure est isolée thermiquement par l'arrière et vitrée par l'avant.

Dans les systèmes d'alimentation en chaleur à haute température (au-dessus de 100 °C), des capteurs solaires à haute température sont utilisés. Actuellement, le plus efficace d'entre eux est le capteur solaire à concentration Luza, qui est une auge parabolique avec un tube noir au centre, sur lequel se concentre le rayonnement solaire. De tels collecteurs sont très efficaces dans les cas où il est nécessaire de créer des conditions de température supérieures à 100 °C pour l'industrie ou la production de vapeur dans l'industrie de l'énergie 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 diffusé.

Expérience mondiale. En Australie, mettre des liquides en dessous de 100°C consomme environ 20% de l'énergie totale consommée. Il a été établi que pour fournir de l'eau chaude à 80% des populations rurales bâtiments résidentiels 1 personne a besoin de 2 ... 3 m2 de surface de capteurs solaires et d'un réservoir d'eau d'une capacité de 100 ... 150 litres. Les installations d'une superficie de 25 m2 et une chaudière à eau de 1000 ... 1500 litres sont très demandées, fournissant de l'eau chaude à 12 personnes.

Au Royaume-Uni, les habitants des zones rurales couvrent leurs besoins en énergie thermique de 40 à 50 % en utilisant le rayonnement solaire.

En Allemagne le une station de recherche près de Düsseldorf, une installation de chauffe-eau solaire active (surface de capteur 65 m2) a été testée, ce qui permet de recevoir en moyenne 60% de la chaleur nécessaire par an, et en été 80 ... 90%. En Allemagne, une famille de 4 personnes peut pleinement se chauffer s'il existe un toit énergétique d'une superficie de 6 ... 9 m2.

L'énergie solaire thermique la plus utilisée est utilisée pour chauffer les serres et y créer un climat artificiel ; plusieurs façons d'utiliser l'énergie solaire dans ce sens ont été testées en Suisse.

En Allemagne (Hanovre) à l'Institut de technologie, d'horticulture et d'agriculture, la 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, est à l'étude à l'aide d'un liquide teinté qui traverse le double revêtement de la serre et réchauffe le rayonnement solaire Les résultats de la recherche ont montré que dans les conditions climatiques allemandes, le chauffage utilisant uniquement l'énergie solaire tout au long de l'année ne satisfait pas entièrement le besoin de chaleur. Les capteurs solaires modernes en Allemagne peuvent répondre aux besoins de l'agriculture en eau chaude en été de 90%, en hiver de 29...30% et pendant la période de transition - de 55...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 de chauffe-eau solaires avec capteurs solaires avec une superficie totale 2,5 millions de m2, ce qui représente une opportunité d'économie annuelle de carburant d'environ 0,5 million de tep.

L'amélioration structurelle du SC plat se produit dans deux directions :

• recherche de nouveaux matériaux de structure non métalliques ;
• amélioration des caractéristiques opto-thermiques de l'ensemble absorbeur-élément translucide le plus critique.