РД 34.20.115-89. Методические указания по расчету и проектированию систем солнечного теплоснабжения

(утв. Минэнерго СССР 07.12.1989)

7 декабря 1989 года

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

до 1 января 1992 года

Разработано Государственным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского.

Исполнители: М.Н. Егай, О.М. Коршунов, А.С. Леонович, В.В. Нуштайкин, В.К. Рыбалко, Б.В. Тарнижевский, В.Г. Булычев.

Утверждено Главным научно-техническим управлением энергетики и электрификации 07.12.89.

Начальник В.И. Горин.

Настоящие Методические указания устанавливают порядок выполнения расчета и содержат рекомендации по проектированию систем солнечного теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений.

Методические указания предназначены для проектировщиков и инженерно-технических работников, занимающихся разработкой систем солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения.

1.1. Методические указания распространяются на активные системы солнечного теплоснабжения (ССТ) с плоскими солнечными коллекторами, принудительной циркуляцией жидкого теплоносителя в теплоприемном контуре и предусматривают использование трехконтурной системы для покрытия нагрузок круглогодичного теплоснабжения и двухконтурной — для горячего водоснабжения (ГВС). Терминология по солнечному теплоснабжению приведена в Приложении 1.

1.2. Данная методика используется при расчете ССТ для населенных пунктов, расположенных южнее 53° северной широты и от 22,5 до 84° восточной долготы.

1.3. Целесообразность и эффективность применения ССТ зависит от доли тепловой нагрузки (коэффициента замещения), обеспечиваемый за счет солнечной энергии f, и в каждом конкретном случае определяется технико-экономическим расчетом.

1.4. Методика расчета удельной теплопроизводительности, отнесенной к единице площади поверхности солнечных коллекторов (СК), базируется на среднегодовых долгосрочных данных суммарной солнечной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, и теплотехнических характеристиках солнечных коллекторов, приведенных в Приложении 2.

1.5 Расчет годовой удельной теплопроизводительности ССТ производится при следующих условиях:

удельный расход антифриза в теплоприемном контуре g равен 50 кг/(кв. м x ч);

эффективность водяного теплообменника эпсилон равна 0,7; 1

удельная вместимость бака-аккумулятора (БА) V , приходящаяся а на 1 кв. м площади поверхности СК, равна 75 л/кв. м;

эффективность водовоздушного теплообменника эпсилон 2

удовлетворяет   условию   эпсилон  С    / лямбда V >= 2,  где С
                                 2  min                        min

меньший, из водяных эквивалентов водовоздушного теплообменника;

удельная суточная нагрузка ГВС равна 517 Вт.ч/кв. м;

    разность температур горячей t  и холодной воды t  равна 40 °С.
                                 г                  х

1.6. Тепловой расчет ССТ служит основой для расчетов гидродинамических и конструктивных параметров.

1.7. Выбор и расчет ССТ, площади поверхности СК, их типа, бака-аккумулятора рекомендуется осуществлять с учетом следующих основных факторов:

потерь теплоты в окружающую среду;

гидравлических сопротивлений по потокам теплоносителей;

габаритных размеров;

массы и металлоемкости;

экологии окружающей среды,

ремонтоспособности;

технологичности узлов;

соответствия требованиям действующих стандартов.

1.8. Исходные данные для расчетов должны входить в техническое задание на проектирование ССТ. Разработка, порядок согласования и утверждение технического задания регламентируются ГОСТ 15.001-73*. Техническое задание на разработку ССТ должно содержать:

местонахождение объекта, на котором устанавливается система теплоснабжения (населенный пункт), географическая широта;

тип дублирующего источника, его КПД и стоимость вырабатываемой теплоты;

тепловую нагрузку по месяцам, приходящуюся на отопление и ГВС;

теплотехнические (лямбда, к) и габаритные показатели здания (V, S);

температуру горячей воды;

температуру питательной (холодной) воды.

1.9. Критерием для выбора оптимальной доли тепловой нагрузки, обеспечиваемой ССТ, является минимум приведенных затрат.

2.1. Для установок солнечного теплоснабжения следует применять солнечные коллекторы с одинарным или двойным остеклением. Технические характеристики солнечных коллекторов, выпускаемых в СССР, приведены в Приложении 3.

2.2. В установках солнечного теплоснабжения следует использовать водяные насосы, применяемые в системах отопления и горячего водоснабжения зданий.

При использовании в теплоприемном контуре антифриза целесообразно применять насосы типов ЦВЦ, ВС, ВКО и ХО.

2.3. При установке насосов в жилых домах следует применять малошумные насосы или принимать меры к снижению шума и вибрации до норм, допустимых СНиП II-12-77.

2.4. В качестве теплообменников для ССТ рекомендуется применять водоводяные подогреватели для тепловых сетей, выпускаемые по ТУ 400-28-429-82Е, и скоростные теплообменники типа ТТ, разработанные ВНИИнефтемаш Минхиммаш СССР.

Технические характеристики проточных теплообменников типа ТТ приведены в Приложении 4.

2.5 В системе солнечного теплоснабжения рекомендуется

применять      воздушно-отопительные     агрегаты     АО2-10-02У3,
АОД2-10-02У3,  АСУ2-10-02У3  по ТУ 36-2552-82, калориферы стальные
пластинчатые  КВСБ-ПУЗ,  КВББ-ПУЗ  и калориферы биметаллические со

спиральнонакатным оребрением КС 3-01ХЛЗА и КС 3-02ХЛЗА. к к

3.1 Общие положения

3.1.1. При расчете ССТ и горячего водоснабжения учитывается круглогодичность их работы.

3.1.2 Теплопроизводительность ССТ за годичный период ее

эксплуатации (Q ) определяется по уравнению: c

Q = f Q, (3.1) c

где:

f — доля полной среднегодовой тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии;

Q — полная годовая нагрузка теплоснабжения, кВт.ч.

3.1.3. Удельная годовая теплопроизводительность ССТ определяется по формуле:

q = Q / F, (3.2) c

где F — площадь поверхности СК, кв. м.

3.1.4 Удельная годовая теплопроизводительность q является

функцией следующих параметров:

географической и климатических характеристик (фи, Н, t ); н.в

характеристик солнечного коллектора (U , (тау альфа), L F , эпсилон); R

режимных параметров (t , t , g); г х

параметров системы (эпсилон , V , f). 1 a

3.1.5. Характеристики солнечных коллекторов различных конструкций обобщены в трех типах — I, II, III, которые используются при нахождении удельной годовой теплопроизводительности ССТ q, и приведены в Приложении 2.

3.1.6. Для ССТ рекомендуется применять одностекольный селективный коллектор (тип II) и двухстекольный неселективный коллектор (тип III). Для систем ГВС — одностекольные коллекторы (типов I, II).

3.2 Принципиальные схемы систем

3.2.1. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рис. 1 (здесь и далее рисунки не приводятся) и предусматривает работу установки в режимах:

отопления и горячего водоснабжения;

горячего водоснабжения.

Система ССТ включает три контура циркуляции:

первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;

второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;

третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

Функционирует ССТ следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 2.

Из бака-аккумулятора вода забирается насосом ГВС 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему ГВС здания. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется из водопровода.

Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4.

В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6.

3.2.2 Принципиальная схема системы ГВС приведена на рис. 2.

Работа СГВС осуществляется следующим образом. Циркуляционный насос 5 прокачивает теплоноситель через солнечные коллекторы 1, где он, нагреваясь, отдает в теплообменнике 2 теплоту воде второго контура. Второй контур образован теплообменником 2, баком-аккумулятором 3 и насосом 5, соединенными между собой трубопроводом. Вода из бака-аккумулятора 3 через дублер 4 поступает в систему горячей воды здания. Холодная вода для подпитки поступает в нижнюю часть БА из водопровода.

3.3 Расчет системы солнечного теплоснабжения

3.3.1 Основным параметром ССТ является годовая удельная теплопроизводительность, определяемая из уравнения:

q = а + в (Н — 1000), кВт.ч/кв. м, (3.3)

где:

    Н   -   среднегодовая   суммарная   солнечная   радиация    на
горизонтальную    поверхность,     кВт.ч/кв. м;   находится     из

Приложения 5;

а, в — параметры, определяемые из уравнения (3.4) и (3.5):

                                 2

    а = (альфа  + альфа  r + альфа  r ) + (альфа  + альфа  r +
              1        2          3             4        5

                2                                   2   2
      + альфа  r ) f + (альфа  + альфа  r + альфа  r ) f ;   (3.4)
             6               7        8          9

                              2

      в = (бета  + бета  r + бета  r ) + (бета  + бета  r +
               1       2         3            4       5

                 2                                2   2
        + бета  r ) f + (бета  + бета  r + бета  r ) f ,     (3.5)
              6              7       8         9

где r — характеристика теплоизолирующих свойств ограждающих конструкций здания при фиксированном значении нагрузки ГВС, представляет собой отношение суточной нагрузки отопления при температуре наружного воздуха равной 0 °С к суточной нагрузке ГВС. Чем больше r, тем больше доля отопительной нагрузки по сравнению с долей нагрузки ГВС и тем менее совершенной является конструкция здания с точки зрения тепловых потерь; r = 0 принимается при расчете только системы ГВС. Характеристика определяется по формуле:

                                 в

              r = (лямбда m + к ро  С ) V t  / l S,          (3.6)
                                  в  р     в

где:

лямбда — удельные тепловые потери здания, Вт/(куб. м х °С);

m — количество часов в сутках;

к — кратность вентиляционного обмена воздуха, 1/сут.;

ро — плотность воздуха при 0 °С, кг/куб. м; в в

С — теплоемкость воздуха при 0 °С и постоянном давлении, р Вт.ч/(кг х °С);

V — объем здания, куб. м;

t — температура воздуха внутри здания, °С; в

l — суточная нагрузка ГВС, равная 517 Вт.ч/кв. м;

S — жилая площадь здания, кв. м;

    альфа ... альфа ;  бета ... бета - коэффициенты,  находятся из
         1         9       1        9

табл. 3.1 и 3.2;

f — коэффициент замещения, ориентировочно принимается от 0,2 до 0,4.

Уравнение (3.3) применимо при использовании схемы, приведенной на рис. 1.

Значения лямбда, к, V, t , S закладываются при проектировании в ССТ.

Уравнение (3.3) применимо при значениях:

1050 <= Н <= 1900; 1 <= r <= 3; 0,2 <= f <= 0,4.

3.3.2 Общая площадь поверхности солнечных коллекторов

находится по формуле:

F = Q f / q, кв. м. (3.7)

3.4 Расчет системы солнечного

3.4.1 Удельная годовая теплопроизводительность СГВС (схема на рис. 2) определяется по формуле:

q = а + в (Н — 1050), кВт.ч/кв. м. (3.8)

Значения коэффициентов а и в находятся из табл. 3.3.

Уравнение (3.8) справедливо при f = 0,5 и 1050 <= Н <= 1900.

3.4.2. При других значениях коэффициента замещения f для рассматриваемых типов коллекторов I и II значение удельной годовой теплопроизводительности q должно быть увеличено (уменьшено) в соответствии с данными табл. 3.4 и определяется по формуле:

q = q (1 + ДЕЛЬТА q / 100), кВт.ч/кв. м, (3.9) i

где:

q — удельная годовая теплопроизводительность СГВС при i значениях f, отличных от 0,5;

ДЕЛЬТА q — изменение годовой удельной теплопроизводительности СГВС, %.

Значение f больше 0,6 достигается при Н >= 1700.

3.4.3 Общая площадь поверхности солнечных коллекторов СГВС

определяется по формуле:

F = Q f / q, кв. м. (3.10)

4.1. Размещение солнечных коллекторов производится на кровле зданий или площадках с учетом ландшафта и застройки местности.

4.2. При проектировании установки теплоснабжения следует произвести расчет опорных конструкций с учетом ветровой и снеговой нагрузок, а при необходимости — с учетом сейсмических воздействий.

4.3. Оптимальная ориентация солнечных коллекторов — южная. Отклонение от южной ориентации на восток до 15° ведет к уменьшению прихода солнечной радиации на 5%, а на запад до 30° — на 10%.

4.4. Угол наклона солнечных коллекторов к горизонту при круглогодичной работе установки должен приниматься равным широте местности для солнечного ГВС и фи +15° для ССТ.

4.5. Расстояние между рядами солнечных коллекторов по горизонтали рассматривается из условия незатенения по наименьшему значению высоты солнца над горизонтом, приведенной в Приложении 6, в зависимости от географической широты местонахождения объекта.

4.6. Для обеспечения высокой эффективности солнечных коллекторов и выбора циркуляционного насоса производится гидравлический расчет по общепринятой методике. Сопротивление солнечного коллектора при расходе 50 кг/(кв. м х ч) не превышает 500 Па.

4.7. Для равномерного распределения потока теплоносителя в системах солнечные коллекторы соединяются в последовательно-параллельные и параллельно-последовательные группы с учетом удобства технического обслуживания и ремонта.

4.8. В установках солнечного теплоснабжения с большой площадью поверхности солнечных коллекторов следует предусматривать возможность отключения отдельных секций в случае выхода их из строя без вывода из эксплуатации всей установки.

4.9. Для удаления воздуха из системы необходимо предусматривать воздушный клапан, устанавливаемый в наивысшей точке системы. Допускается удаление воздуха с помощью расширительного бака, установленного выше уровня статического давления в гелиоконтуре.

4.10. В системе теплоснабжения необходимо предусматривать арматуру для заполнения системы, а в нижней части — для спуска теплоносителя с уклоном трубопровода 0,002.

4.11. Рекомендуется предусматривать 10-процентный запас площади поверхности солнечных коллекторов на случай выхода части ее из строя, ухудшения теплопередающих свойств и загрязнения поверхности остекления.

4.12. Движение теплоносителей в контурах следует принимать по противоточной схеме.

4.13. Тепловые потери через изоляцию БА, теплообменников и трубопроводов не должны превышать 5% теплопроизводительности СК.

4.14. Для поддержания постоянной температуры горячей воды, подаваемой к потребителю, установки должны обеспечиваться автоматическими регуляторами температуры.

4.15. При использовании в гелиоконтуре в качестве теплоносителя воды необходимо предусмотреть ее химическую обработку и деаэрирование перед заполнением системы.

4.16. При круглогодичной эксплуатации ССТ в теплоприемном контуре рекомендуется применять антифриз. Свойства антифризов приведены в Приложении 7.

Давление антифриза в теплоприемном контуре во избежание попадания его в БА при нарушении герметичности теплообменника должно быть ниже, чем давление воды в тепловоспринимающем контуре.

4.17. Система теплоснабжения должна включать дублер, работающий совместно с солнечной установкой при длительном отсутствии солнечной радиации, обеспечивающий 100-процентное покрытие тепловой нагрузки здания.

5.1 Применение ССТ считается целесообразным, если выполняется

условие:

                            З  <= З ,                        (5.1)
                             с     б

где:

З — удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой с тепловой энергии ССТ, руб./ГДж;

З — удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой б тепловой энергии базовой установкой, руб./ГДж.

5.2 Удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой

энергии (стоимость единицы тепловой энергии) для солнечной установки определяется по формуле:

                           З  = С  / Q,                      (5.2)
                            с    с

    где С  - приведенные затраты на ССТ и дублер, руб./год;

     с

      С  = (к  + к ) Е  + Э  к  + Э  к  + Ц N  - к  - к ,    (5.3)
       с     с    в   н    с  с    в  в      д    э    п

где:

к — капитальные затраты на ССТ, руб; с

к — капитальные затраты на дублер, руб; в

Е — нормативный коэффициент сравнительной эффективности н капитальных вложений (0,1);

Э — доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на с ССТ;

Э — доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на в дублер;

Ц — стоимость единицы тепловой энергии, вырабатываемой дублером, руб./ГДж;

N — количество тепловой энергии, вырабатываемой дублером в д течение года, ГДж;

к — эффект от снижения загрязнения окружающей среды, руб; э

к — социальный эффект от экономии зарплаты персонала, п обслуживающего дублер, руб.

Удельные приведенные затраты определяются по формуле:

                           З  = С  / Q,                      (5.4)
                            б    б

    где С  - приведенные затраты на  базовую  установку, руб./год;

     б

                       С  = к  Е  + Э  к ,                   (5.5)
                        б    б  н    б  б

где:

к — капитальные затраты на базовый источник тепловой энергии, б руб.;

Э — доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на б базовый источник тепловой энергии.

5.3. Эффект от снижения загрязнения окружающей среды учитывается для приведения к сопоставимому виду сравниваемых вариантов и рассчитывается в соответствии с действующей «Временной типовой методикой определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды» (Госплан СССР, Госстрой СССР, АН СССР, 1983) и «Руководством по расчету количества и удельных показателей выбросов вредных веществ в атмосферу» (М.: ВПТИтрансстрой, 1982).

5.4 Социальный эффект от экономии зарплаты персонала,

обслуживающего дублера к при отключении дублера в период полного п покрытия тепловой нагрузкой ССТ, определяется по формуле:

                            З
                             п

                           к  = -- тау  ,                    (5.6)
                            п   12    пн

где:

З — среднегодовая удельная зарплата с начислениями п эксплуатационного персонала дублера, руб./год;

тау — период полного покрытия тепловой нагрузки ССТ, мес. пн

5.5 Расчет экономии топлива в пересчете на условное (т) за

счет использования солнечной энергии следует определять по формуле:

                              Q
                               с

                          В = ----------,                    (5.7)
                                3  р
                              10  Q  эта

                               н

где:
 р

Q — низшая теплота сгорания условного топлива, кВт.ч/кг; н

эта — КПД замещаемого источника энергии.

З — удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой с тепловой энергии ССТ, руб./ГДж;

З — удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой б тепловой энергии базовой установкой, руб./ГДж;

З — среднегодовая удельная зарплата с начислениями п эксплуатационного персонала дублера, руб./год;

к — капитальные затраты на ССТ, руб.; с

к — капитальные затраты на дублер, руб.; в

к — эффект от снижения загрязнения окружающей среды, руб.; э

к — социальный эффект от экономии зарплаты персонала п обслуживающего дублер, руб.;

Е — нормативный коэффициент сравнительной эффективности н капитальных вложений;

С — приведенные затраты на ССТ и дублер, руб/год; с

С — приведенные затраты на базовую установку, руб./год; б

Э — доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на с ССТ;

Э — доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на в дублер;

Э — доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на б базовый источник тепловой энергии;

Ц — стоимость единицы тепловой энергии, вырабатываемой дублером, руб./ГДж;

В — экономия топлива в пересчете на условное за эксплуатационный период солнечной установки, т/год;

Н — среднегодовая суммарная солнечная радиация, приходящая на горизонтальную поверхность, кВт.ч;

Q — полная годовая нагрузка теплоснабжения, кВт.ч; р

Q — низшая теплота сгорания условного топлива, кВт.ч/кг; н

Q — годовая теплопроизводительность ССТ, кВт.ч; с

F — площадь поверхности СК, кв. м;

U — общий коэффициент тепловых потерь, Вт/(кв. м х °С); L

F — коэффициент эффективности солнечного коллектора; R

V — удельная вместимость бака-аккумулятора, л/кв. м; а

V — объем здания, куб. м;

S — жилая площадь здания, кв. м;

N — количество тепловой энергии, вырабатываемой дублером за g год, ГДж;

а — параметр;

в — параметр;

t — температура горячей воды на выходе из СК, °С; г

t — температура холодной воды на входе в БА, °С; х

t — температура наружного воздуха, °С; н.в

t — температура воздуха внутри здания, °С; в

q — годовая удельная теплопроизводительность ССТ, отнесенная к единице площади солнечных коллекторов, кВт.ч/кв. м;

f — доля полной среднегодовой тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии (коэффициент замещения);

фи — географическая широта, град.;

эпсилон — степень черноты поглощательной поверхности СК в диапазоне рабочих температур коллектора;

эпсилон — эффективность водяного теплообменника; 1

эпсилон — эффективность водовоздушного теплообменника; 2

тау — пропускательная способность остекления; п

тау — период полного покрытия тепловой нагрузки ССТ, мес.; пн

(тау альфа) — приведенная поглощательная способность солнечного коллектора;

g — удельный расход антифриза в теплоприемном контуре, кг/кв. м х ч);

альфа — поглощательная способность теплоприемной поверхности;

    альфа  - альфа  - коэффициенты;
         1        9

    бета  - бета  - коэффициенты;
        1       9

    r   -   характеристика  теплоизолирующих  свойств  ограждающих

конструкций здания при фиксированном значении нагрузки ГВС;

лямбда — удельные тепловые потери здания, Вт/(куб. м х °С);

m — количество часов в сутках;

к — кратность вентиляционного обмена воздуха, 1/сут.;

ро — плотность воздуха при 0 °С, кг/куб. м; в

 в

С — теплоемкость воздуха при 0 °С и постоянном давлении, р Вт.ч/(кг х °С);

l — удельная суточная нагрузка ГВС, Вт.ч/кв. м;

С — меньший из водяных эквивалентов водовоздушного min теплообменника, Вт/°С;

эта — КПД замещаемого источника энергии.

Примечание. I — одностекольный неселективный коллектор; II — одностекольный селективный коллектор; III — двухстекольный неселективный коллектор.

Примечание. Теплоносители на основе углекислого калия имеют следующие составы (массовая доля):

                                        Рецептура 1  Рецептура 2
    Калий углекислый, 1,5-водный           51,6         42,9
    Натрий фосфорнокислый 12-водный        4,3          3,57
    Натрий кремнекислый, 9-водный          2,6          2,16
    Натрий тетраборнокислый, 10-водный     2,0          1,66
    Флуоресцоин                            0,01         0,01
    Вода                                   До 100       До 100