МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
Кафедра ТГВ
Курсовий проект
З курсу: “Нетрадиційні джерела енергії”
На тему:
«Розрахунок сонячних колекторів на потреби ГВ для однородинного житлового будинку»
Львів 2009
ВСТУП
Вданому проекті розглядається двоповерховий односімейний будинок розрахований на п”ятьох мешканців. Будинок розмірами в плані1010х8180 мм, має 8 кімнат та 2 санвузли. У будинку запроектовано геліосистему з активним використанням сонячної енергії, а також дублююче джерело тепла.
Сонячний колектор розташований на скатному даху над південним фасадом. Кількість колекторів 2, загальна площа геліополя F=5m2. До встановлення прийнято колектори Vitosol 100 тип w2,5.
Ємнісний водонагрівач Vitocell-100B у підлоговому виконанні з об’ємом 300л, який виконує функції теплообмінника і подає гарячу воду до споживача, здійснюючи теплообмін між теплоносієм геліоконтуру і теплоносієм контуру споживача.
Для забезпечення опалення в будинку використовується газовий конденсатний модуль у настінному виконанні серії Vitodans 200. Також він виступає дублюючим джерелом в період коли потужності геліоустановки не буде вистачати на потреби ГВ. Допоміжним елементом системи є циркуляційний насос Wilo-Star-A, який забезпечує циркуляцію теплоносія в системі з урахуванням загальної витрати і втрат тиску в системі.
Діаметри з’єднувальних труб 15х1 мм. Для вилучення пари з системи в робочій фазі і для запобігання підвищення надлишкового тиску в системі на зворотню лінію встановлюємо один розширювальний бак об’ємом 25 л.
Котел та ємнісний водонагрівач встановлюємо в приміщені кухні на першому поверсі.
Подаюча та зворотня магістраль СГВ прокладається під підлогою і утеплюється пінопіліуретаном .
.
1.ПЕРЕЛІК ПРИМІЩЕНЬ.
А. Сходова клітка- 12,2 м2;
101.Вітальня -34,5 м2;
102.Ванна- 9,9 м2;
103.Спальня- 14,6м2;
104.Виранда- 3,85м2;
2-й поверх
201.Житлова кімната- 24,0 м2;
202. Ванна- 9,9 м2;
203. Спальня- 14,6 м2;
204. Кімната- 17,98 м2;
2. КЛІМАТОЛОГІЧНІ ДАНІ МІСТА БУДІВНИЦТВА.
Місто будівництва –Херсон. Виписуємо з [1] такі розрахункові параметри зовнішнього повітря:
- розрахункова географічна широта 44° пн.ш;
- барометричний тиск 1010 гПа;
- температура зовнішнього повітря:
абсолютно мінімальна -32 °С;
абсолютно максимальна 39°С;
середня максимальна найбільш гарячого місяця 29.4°С;
найбільш холодної доби забезпеченістю 0,92 -23 °С;
найбільш холодної п'ятиденки забезпеченістю 0,92 -19 °С;
середня температура опалювального періоду 0.6 °С;
- тривалість опалювального періоду 167 діб;
- кількість градусо-діб обігрівального періоду, г-д 2906 г-д.
За кількістю градусо-діб визначаємо температурну зону
- м. Херсон - III температурна зона України.
Згідно [2] виписуємо для м. Херсон прихід сонячної радіації (пряма+ розсіяна) на горизонтальну поверхню по місяцях Мдж/м².
Таблиця 1.
місяць
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
сумарна
261
365
603
724
872
889
886
768
619
465
308
234
пряма
104,4
146
241,2
289,6
348,8
359,6
354,4
307,2
247,6
186
123,2
93,6
розсіяна
156,6
219
361,8
434,4
583,2
533,4
531,6
460,8
371,4
279
184,8
140,4
Згідно [5] виписуємо снігове навантаження для м. Херсон табл.2
Місяць
Величина снігового навантаження Sо, Па
мінімальне
середнє
максимальне
1
12
170
590
2
12
230
630
3
35
310
1230
4
0
0
0
5
0
0
0
6
0
0
0
7
0
0
0
8
0
0
0
9
0
0
0
10
0
0
0
11
120
130
160
12
40
200
520
3. ТЕХНОЛОГІЧНО-ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК СИСТЕМИ ГВ.
Розрахунок системи гарячого водопостачання за допомогою
водяних геліоустановок проводиться в наступній послідовності:
1. Визначення теплового навантаження споживачами.
В загальному вигляді теплове навантаження визначається із
Залежності
; кВт
де Q - потрібна кількість тепла, кВт;
с-теплоємність води, с = 4,187 кДж/(кг х 0С);
m -норма споживання води на технологічні потреби, кг/год,
оскільки у нашому житловому будинку немає технологічного виробництва,
то m = о кг/год;
п -кількість об’єктів, шт;
ml - норма споживання води на побутові потреби одною людиною, л/добу,
приймаємо mt =105 л/добу на одну людину;
n -кількість людей, що користуються гарячою водою, приймаємо n =5 люд;
tк , -кінцева температура води і-го (j-го) споживача, приймаємо tк= 60°С;
tn -початкова температура води i-го (jго) споживача, приймаємо
tn =5 °С; отже:
Q=105*5*4,187*(55-5)/3600=30,53 кВт
4. ВИЗНАЧЕННЯ ПЛОЩІ ГЕЛІОПОЛЯ.
Після визначення теплового навантаження, враховуючи призначення геліоустановки, прихід сонячної радіації, коефіцієнт корисної дії установки визначаємо площу геліополя за формулою:
де F- потрібна площа геліополя, м2,
Q -потрібна кількість теплоти на гаряче водопостачання, кВт,
n-коефіцієнт корисної дії геліосистеми,
Qпод - прихід теплоти (сонячної радіації) на 1м2 похилої поверхні геліополя, кВт, обчислюється за формулою:
,Вт/м2
де qп - попадання прямої радіації на горизонтальну поверхню,
Вт/м2,
Рп-коефіцієнт перерахунку прямої радіації на похилу поверхню (залежить від широти місцевості, де встановлюється геліосистема, кута нахилу геліополя до горизонту, годинного кута заходу сонця до горизонту). Середньомісячні значення Р вказані в таблиці 2 [1],
qр- попадання розсіяної радіації на горизонтальну поверхню,
Вт/м2,
рр - коефіцієнт перерахунку розсіяної радіації на похилу поверхню,
pр=cos2 (/2,
Аж-льбедо (коефіцієнт відбивання поверхні), приймаємо рівним
0,2,
рв -коефіцієнт перерахунку відбитої радіації на похилу поверхню,
Pв = sin(/2
(- кут нахилу геліополя до горизонту.
Результати обчислень заносимо у таблицю 3. Табл.3.
Величина сонячної
радіації за добу в даному місяці
Qпад
кВт/м²
F,
м²
Січень
2,05
18,4
Лютий
3,18
11,9
Березень
4,75
7,9
Квітень
5,89
6,4
Травень
7,32
5,0
Червень
7,23
5,2
Липень
6,98
5,4
Серпень
6,25
6,0
Вересень
4,9
7,7
Жовтень
3,79
9,9
Листопад
2,42
15,6
Грудень
1,9
19,8
Із отриманого ряду площ, площу геліополя приймаємо із умови: при круглорічному використанні геліосистеми з використанням дублюючого джерела тепла, тобто за мінімальною площею.
Приймаю мінімальну площу геліополя, яка складає f = 5,0 m2 для місяця - травень
Визначаємо кількість колекторів:
N= 5,0 /2.5 =2шт
Проектуємо 2 колектори Vitosol 100 тип w2,5. Х=2385 мм, Y=1138 мм, площа (XY)=2,71м2.
Перевірочний розрахунок площі геліополя
З графіка знаходимо необхідну площу геліополя при витраті води 105 л/добу: S=1,8м²
Запас становить:
3. РОЗРАХУНОК СНІГОВОГО НОВАНТАЖЕННЯ НА ОПОРНУ КОНСТРУКЦІЮ.
Снігове навантаження обчислюється за формулою:
S0• F + M1 + M2, Н,
де So - снігове навантаження, Н/м2, приймаємо згідно [5],
F = (X • У)-проектована площа, м2,
M1,-маса вантажу, Н, (в даному розрахунку невраховано).
M2-маса колектора, Н.
Результати розрахунку заносимо в таблицю 5
Таблиця 5
місяць
F,м2
S0, Н/м2
М2,Н
S0F + M1+ M2, Н
І
січень
5
590
520
3470
ІІ
лютий
5
630
520
3670
ІІІ
березень
5
1230
520
6670
ІV
квітень
5
0
520
520
V
травень
5
0
520
520
VI
червень
5
0
520
520
VII
липень
5
0
520
520
VIII
серпень
5
0
520
520
IX
вересень
5
0
520
520
X
жовтень
5
0
520
520
XI
листопад
5
160
520
1320
XII
грудень
5
520
520
3120
5. ПІДБІР і ВСТАНОВЛЕННЯ ВОДОГРІЙНОГО КОТЛА
За необхідною потужністю приймаємо до встановлення наднизькотемпературний водогрійний котел Vitodens 200 номінальна потужність 32 кВт для природнього газу .Основні переваги:
Наднизькотемпературний водогрійний котел, 32 кВт.
Нормативний ККД: 96%.
Двошарові теплообмінні поверхні Biferral з високою експлуатаційною надійністю та тривалим терміном служби.
Низьке виділення шкідливих речовин при роботі завдяки пальникам Vitoflame 200 (рідкопаливні, що працюють за принципом Duozon) і оптимальній конфігурації камери згоряння. Показники шкідливих викидів значно нижчі від норми, встановленої стандартом «Блакитний янгол», і швейцарських приписів щодо чистоти повітря.
Особливо економний та екологічно ощадливий режим використання завдяки плавному зниженню температури котлової води при підвищенні навколишньої температури. Якщо потреба в теплі стає рівною нулеві, котел вимикається.
Зручне обслуговування за допомогою контролерів Vitotronic.
Ефективна віддача тепла котловій воді за рахунок широких проходів і великого водонаповнення котлового блоку.
Простота очистки й монтажу котлового блоку завдяки з'єднанням Fastfix фірми Viessmann, які швидко рознімаються. Економія до 50% часу на монтаж контролера та обшивки котла. Невелика кількість деталей, які треба просто вставити одну в одну. Спеціальні інструменти не потрібні.
Полегшення монтажу й уведення в експлуатацію: всі пальники фірми Viessmann проходять цикл комп'ютеризованих вогневих випробувань. Своїми параметрами вони оптимально узгоджені з котлом.
Характеристика котла
Тип
Ідентифікатор виробу
Розміри котлового блоку:
Довжина
Ширина
Висота
Маса котлового блоку
Загальна маса водогрійного котла
з теплоізоляцією, пальником
і контролером котлового контуру
Об”єм котлової води
Допустимий надлишковий
робочий тиск
Показники викидних газів
темп. котлової води 40 С
темп. котлової води 75 С
Масовий потік у випадку легкого
котельного палива чи газу
Патрубок вівідних газів (dзов)
Об”єм газу у водогрійному котлі
Опір на стороні
паливникових газів
Необхідний напір
VB2
СЕ-0085 AQ0695
817 мм
599 мм
743 мм
195 кг
241 кг
118 л
3 мбар
145 С
165 С
56 кг/год
130 мм
78 л
0,1 мбар
0,05 мбар
5.ПІДБІР І ВСТАНОВЛЕННЯ ВОДОНАГРІВАЧА
До встановлення приймаємо сталевий ємнісний водонагрівач Vitocell -В 100 об”ємом 300 л.
Основні переваги:
Місткісний водонагрівач із двома нагрівальними спіралями для бівалентного нагріву.
Сталева місткість із внутрішнім емалевим покриттям Ceraprotect для захисту від корозії. Додатковий електродний захист через магнієвий анод. Захисний анод постачають як додаткове приладдя.
Високий комфорт за допомогою швидкого нагріву води рівномірно по всьому об’єму через нагрівальні спіральні поверхні великого розміру.
Малі втрати тепла завдяки високоефективній теплоізоляції.
Технічні дані:
Для приготування гарячої води
(при суміщенні з водогрійними
котлами та сонячними установками)
Придатний до встановлення з:
-темп. гріючого контуру до 160 С
-темп. теплоносія сонячної установки до160 С
-температурним налаштуванням водорозбірногго контуру ГВ до 95 С
-надлишковий робочий тиск в гріючому і водорозбірному контурі ГВ до 10 бар
- надлишковий робочий тиск в контурі теплоносія соняної установки до 10 бар
Об”єм водонагрівача
300 л
Змієвик гріючого контуру
Верхній
Нижній
Тривала продуктивність 90 квт, л/с
(при підігріві води в контурі 80 квт, л/с
водорозбору ГВ з 10 до 45 С і 70 квт, л/с
темп. гріючого контуру при 60 квт, л/с
нижчеприведеній витраті теплоносія) 50 квт, л/с
31 , 761
,638
20, 691
15, 368
11, 270
53, 1302
44, 1081
33, 811
23, 265
18, 422
Тривала продуктивність 90 квт, л/с
(при підігріві води в контурі 80 квт, л/с
водорозбору ГВ з 10 до 60 С і 70 квт, л/с
темп. гріючого контуру при
нижчеприведеній витраті теплоносія)
23, 395
20, 344
15, 258
45, 774
34, 584
23, 395
Витрата теплоносія м3/год
(для вказаної продуктивності)
3,0
Максимальна під”єднувальна поща поглинача
Vitosol 100 м2
10
Теплоізоляція
Жорсткий пінопоуліретан
Витрата теплоти на підтримання готовності
(при різниці темп. 45 К) кВт*год/24год
2,3
Розміри:
Довжина з теплоізаляцією мм
без теплоізоляції мм
Загальна ширина з теплоізаляцією мм
без теплоізоляції мм
Висота з теплоізаляцією мм
без теплоізоляції мм
633
--
705
--
1746
--
1792
--
Маса з теплоізоляцією та змійовиком гріючого контуру кг
160
Об”єм змійовика гріючого контуру л
6
10
Площа теплообмінних поверхонь м2
0,9
1,5
6.РОЗРАХУНОК ДІАМЕТРІВ ТРУБ І ЦИРКУЛЯЦІЙНОГО НАСОСА
Гідродинамічний опір сонячної установки складається з:
опору колекторів;
опору трубопроводів;
опору теплообмінника у ємнісному водонагрівачі.
Повний гідродинамічний опір визначається наступним чином:
при послідовній схемі встановлення колекторів: повний гідродинамічний опір рівний сумі місцевих гідродинамічних опорів,
при паралельній схемі встановлення колекторів: повний гідродинамічний опір рівний місцевому гідродинамічному опору (припускається, що всі місцеві гідродинамічні опори рівні),
Для послідовно розташованих 2 колекторів Vitosol 100 типу W2.5 із загальною площею 5м2, підбираємо діаметри труб згідно [3]. При площі колектора 5 м2, об’ємна витрата становить 210 л/год=3,5 л/хв. =0,21м3/год; необхідний діаметр труб 15*1 мм.
Об’ємна витрата одного колектора 1,75 л/хв. отже згідно діаграми с.45[3], гідродинамічний тиск одного колектора Vitosol 100 типу W2.5,
р=130мбар, а гідродинамічний тиск 2 послідовно з’єднаних колекторів
(P1=130*2=260 мбар.
Згідно діаграми на с.44[3], гідродинамічний тиск подаючого і зворотнього трубопроводів теплоносія сонячної установки (на 1м трубопроводу) становить р=4.2 мбар.
Отже, загальний гідродинамічний тиск подаючого і зворотнього трубопроводів по всій довжині
(P2=12.85*4.2=53.9 мбар.
Сумарні втрати тиску в системі становлять:
(P=(P1+(P2=260+53.9=313.9мбар=3.14 м.вод.ст.
Розрахунок циркуляційного насосу
При відомій витраті і втратам тиску всієї установки, за характеристиками насосів вибираємо тип насосу. Рекомендовано до встановлення насоси з регульованою частотою обертання, яку можна змінювати в залежності з вимогами установки.
Для монтажу вибираємо насос фірми Wilo призначений для геліотермічних систем серія Wilo-Star-A
Технічні дані геліонасоса Wilo-Star-A :Геліонасос типу Wilo-Star-A
Максимальний напір 5 м.в.ст
Максимальна витрата - 3,5м3/год
Температура рідини - від +20 до +110 С
Робочий тиск - 10бар
Конструкція/Виконання - не потребує техобслуговування
- вмонтований регулятор частоти обертання
-теплоізоляційний кожух
-автоматичний режим “день/ніч”
-електроннй контроль безвідмовної роботи
7. ПІДБІР МЕМБРАННОГО РОЗШИРЮВАЛЬНОГО БАКУ
Номінальний об’єм мембранного розширювального баку розраховуємо за формулою:
Vn=(Vv+V2+z*Vk)*(Рe+1)/(Рe-(Рst+0.5))
де VN -номінальний об’єм баку, л;
Vv -об’єм запобіжного водяного затвору (теплоносія), л;
V =VA *0.005л
VA - наливний об’єм всієї установки, л
VA=2*3+10+0.133*12.85=17.7 л
Vv =0.005*17.7=0,09 л,
V2 -збільшення об’єму при підігріві установки,
V2=V2*B,
B-коефіцієнт розширення (для установки фірми Viessmann при нагріві теплоносія від -20 до 120°С) B=0,13
V2 =17.7*0,09 = 1,6л,
Рe -допустимий кінцевий надлишковий тиск, бар;
Рe = Рsi -0,1 Рsi,psl –тиск спрацювання запобіжного клапану, приймаємо 6 бар,
ре =6-0,1*6 = 5.4бар,
pst -надлишковий тиск азоту на вході в розширювальний бак, бар,
рst = 1.5 + 0.1 • h = 1.5 + 0,1 • 5,75 = 2,0 бар,
h -статична висота установки, м,
z-число колекторів, шт,
vK -об’єм колектора, л ( для колектора Vitosol 100 vK =3л,
отже, Vn=(0.09+1,6+2*3)(5.4+1)/(5.4-(2,0+0.5))=22.3 л
Приймаємо розширювальний бак з такими характеристиками:
Таблиця 2
Об’єм,
л
Надлишковий
робочий тиск,
бар
а, мм
b, мм
Підключення,
R
Маса, кг
25
10
280
490
¾
7,2
8.ГІДРАВЛІЧНИЙ РОЗРАХУНОК СИСТЕМИ ГАРЯЧОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ
Метою гідравлічного розрахунку подавальних трубопроводів системи ГВ є визначення таких діаметрів трубопроводів , які б забезпечили подачу розрахункової витрати води до найвіддаленішої та високорозташованої точки водорозбору.
Гідравлічний розрахунок системи гарячого водопостачання виконуємо у табличній формі. Швидкість руху води в подаючих трубопроводах і стояках приймаємо не більше 1,5 м/с, а в підводках до водорозбірних приладів не більше 2,5 м/с, згідно [4].
Максимальна витрата гарячої води на ділянці визначається заформулою:
,
де qо-секундна витрата гарячої води одним приладом, л/с, приймаємо згідно дод.З
(-коефіцієнт, який приймається згідно дод.4 [6], залежно від загального числа приладів на розрахунковій ділянці і ймовірності їх дії.
Ймовірність дії водорозбірних приладів системи гарячого водопостачання будинку визначаємо за формулою:
- норма витрати гарячої води в годину найбільшого споживання, л, приймаємо згідно дод.З [6],
-секундна витрата гарячої води, л/с, приймаємо згідно дод.З
U-кількість мешканців, чол.,
N - кількість водорозбірних приладів, шт.,
Розрахункова витрата гарячої води з врахуванням циркуляційної витрати:
, л/с
qh -витрата води на ділянці, л/с,
ксir коефіцієнт, який приймається: для водонагрівачів і початкових ділянок системи до першого водорозбірного стояка по дод.5 [6], для всіх інших ділянок рівним 0.
Втрати тиску на окремих ділянках трубопроводів системи гарячого водопостачання визначаємо за формулою:
R- питомі втрати тиску на тертя при розрахунковій витраті q на ділянці, Па/м, приймаємо згідно [6],
l-довжина ділянки трубопроводу, м,
кl - коефіцієнт, що враховує співвідношення втрат тиску на ділянці в місцевих опорах і на тертя, приймаємо кl =0,25 для циркуляційних стояків.
Втрати напору на ділянці:
( = 998.5кг/м³- густина води при t =55°c.
Результати розрахунку заносимо в таблицю 7.
№ ділянки
N
q. л/с
Р
NP
а
qh , л/с
Kcir
qhr,u , л/с
l, м
d, мм
R. Па/м
W,
м/с
Kl
∆P, Па
∆H
м.вод.ст.
1-2
1
0,2
0,014
0,014
0,2
0,2
0
0,2
9,8
15
2810
1,00
0,25
4215
0,43
2-3
2
0,2
0,014
0,028
0,233
0,233
0
0,233
28,4
20
745
0,66
0,25
26448
2,7
3-4
3
0,2
0,014
0,042
0,259
0,259
0
0,259
6,6
20
916
0,72
0,25
7557
0,77
4-5
4
0,2
0,014
0,056
0,283
0,283
0
0,283
12,1
20
1096
0,77
0,25
16577
1,69
5-6
5
0,2
0,014
0,07
0,304
0,304
0
0,304
1,2
25
331
0,55
0,25
4055
0,41
∑ΔН=6м
ВИСНОВОК
У житловому будинку, який знаходиться у м.Херсон , запроектовано геліосистему з активним використанням сонячної енергії. Система розрахована для круглорічного використання на гаряче водопостачання.
Мінімальна необхідна площа геліополя припадає на місяць з максимальним приходом сонячної радіації на поверхню землі. Згідно технологічно-теплового розрахунку мінімальна необхідна площа геліоколекторів становить F =5,0 м2. Так як в цілях економії коштів ми підбираємо геліоколектор по мінімальній площі, в зимовий період в якості дублюючого джерела буде використовуватись газовий котел.Згідно площею колекторів і витратою ми визначили діаметри з’єднувальних труб, що становлять 15x1 мм.
Для видалення повітря із геліоконтуру і запобігання перевищення тиску розраховано один мембранний розширювальний бак, який розташований на зворотній лінії, об’ємом 25л.
Водорозбір гарячої води здійснюється 5-ма водорозбірними приладами.
Згідно відповідних розрахунків приймаємо до встановлення таке основне обладнання:
Сонячний колектор розташований на скатному даху над південним фасадом. Кількість колекторів 2, загальна площа геліополя F=5m2. До встановлення прийнято колектори Vitosol 100 тип w2,5.
Ємнісний водонагрівач Vitocell-100B у підлоговому виконанні з об’ємом 300л, який виконує функції теплообмінника і подає гарячу воду до споживача, здійснюючи теплообмін між теплоносієм геліоконтуру і теплоносієм контуру споживача.
Газовий конденсатний модуль у настінному виконанні серії Vitodans 200. Також він виступає дублюючим джерелом в період коли потужності геліоустановки не буде вистачати на потреби ГВ. Допоміжним елементом системи є циркуляційний насос Wilo-Star-A, який забезпечує циркуляцію теплоносія в системі з урахуванням загальної витрати і втрат тиску в системі.
ЛІТЕРАТУРА
1.СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика.-М.: Стройиздат, 1983.
С.С.Жуковський, В.Й.Лабай. Системи енергопостачання і забезпечення мікроклімату будинків та споруд.
VITOTEC Руководство по тестированию,- 2000.
Внутренние санитарно-технические устройства. Часть2. Водопровод и канализация /Ю.Н.Саргин, Л.И.Друскин, И.Б.Покровская и др.; Под ред. И.Г.Староверова и Ю.И.Шиллера.-М.: Стройиздат, 1990.-247.
Р.Кінаш, О.Бурнаєв. Снігове навантаження в Україні. Видавництво науково-технічної літератури. 1997.
СНиП 2.04.01-85. Внутренний водопровод и канализация зданий/ Госстрой СССР.-М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.