Расчет воды в системе отопления: Как рассчитать объем воды в системе отопления, радиаторах, трубах.

Объем воды или теплоносителя в различных трубопроводах, таких как полиэтилен низкого давления (ПНД труба) полипропиленовые трубы, трубы армированные стекловолокном,  металлопластиковые трубы, стальные трубы, необходимо знать при подборе какого либо оборудования, в частности расширительного бака.

Что вы узнаете

К примеру в металлопластиковой трубе диаметр 16 в метре трубы 0,115 гр. теплоносителя.

Вы знали? Скорее всего нет. Да и вам собственно зачем это знать, пока вы не столкнулись с подбором, к примеру расширительного бака. Знать объем теплоносителя в системе отопления необходимо не только для подбора расширительного бака, но и для покупки антифриза. Антифриз продается в неразбавленном до -65 градусов и разбавленном до -30 градусов виде. Узнав объем теплоносителя в системе отопления вы сможете купить ровное количество антифриза. К примеру, неразбавленный антифриз необходимо разбавлять 50*50 (вода*антифриз), а значит при объеме теплоносителя равном 50 литров, вам необходимо будет купить всего 25 литров антифриза.

Предлагаем вашему вниманию форма расчета объёма воды (теплоносителя) в трубопроводе и радиаторах отопления. Введите длину трубы определенного диаметра и моментально узнаете сколько в этом участке теплоносителя.

Объем воды в трубах различного диаметра: выполнение расчета

Важно учитывать толщину трубы. Размер пластиковых труб — внешний диаметр, стальные -внутренний диаметр

После того как вы рассчитали объем теплоносителя в водопроводе, но для создания полной картины, а именно для того чтобы узнать весь объем теплоносителя в системе, еще вам понадобится рассчитать  объем теплоносителя в радиаторах отопления.

Расчет объема воды в трубах

Расчет объема воды в радиатора отопления

Калькулятор

Объем воды в некоторых алюминиевых радиаторах

Уж теперь то вам точно не составит труда подсчитать объем теплоносителя в системе отопления.

Расчет объема теплоносителя в радиаторах отопления

Для того чтобы подсчитать весь объем теплоносителя в системе отопления нам необходимо еще прибавить объем воды в котле. Его можно узнать в паспорте котла или же взять примерные цифры:

• напольный котел — 40 литров воды;

• настенный котел — 3 литра воды.

Помог ли вам калькулятор? Смогли ли вы рассчитать сколько в вашей системе отопления или в трубе теплоносителя? Отпишитесь пожалуйста в комментариях.

Краткое руководство по использованию калькулятора «Расчет объема воды в различных трубопроводах»:

1. в первом списке выберите материал трубы и его диаметр (это может быть пластик, полипропилен, металлопластик, сталь и диаметры от 15 — …)
2. во втором списке пишем метраж выбранной трубы из первого списка.
3. Жмем «Рассчитать».

«Рассчитать количество воды в радиаторах отопления»

1. в первом списке выбираем меж осевое расстояние и из какого материала радиатор.
2. вводим количество секций.
3. Жмем «Рассчитать».

Как рассчитать объем расширительного мембранного бака

Формула подбора расширителя — V воды в трубе+радиаторы+котел * 10-12%

При знании объема воды можно легко подобрать расширительный бачок.

Автор статьи: Сергей Юшков

Задавайте вопросы в комментариях, делитесь своим опытом, так же принимается любая конструктивная критика, готов обсуждать. Не забывайте делиться полученной информацией с друзьями.

Калькулятор расчёта общего объёма системы отопления

Те, у кого установлено автономное отопление (чаще всего это владельцы частных домов) знают, насколько нужны иногда бывают данные о количестве теплоносителя в системе. Без них невозможно рассчитать даже размер необходимого расширительного бака, не говоря уже о более сложном оборудовании, которое может потребовать замены. Да и более насущные проблемы без этого не решить. Речь идет о замене жидкости в системе. Если залита вода, поменять ее несложно, но когда речь заходит о довольно дорогостоящих теплоносителях, вроде антифриза, здесь уже стоит задуматься. Ведь переплачивать не хочется никому. Для удобства и простоты подобных вычислений ниже представлен калькулятор расчёта общего объёма системы отопления.

Читайте в статье

Калькулятор расчёта общего объёма системы отопления

Пояснения к работе с онлайн-калькулятором

Для работы с программой понадобятся некоторые данные, которые необходимо ввести в соответствующие поля, а именно:

• Количество жидкости в котле. Этот параметр водится в литрах. Найти его можно в технической документации оборудования;
• Объем расширительного бачка, так же в литрах;
• Тип радиаторов отопления. Если они разборные, то ниже этой позиции выставляем при помощи «бегунка» общее количество секций. Если же это конвекторы или неразборные радиаторы, «бегунок» устанавливается на отметке «0». Тогда в графе ниже необходимо указать объем одного радиатора по паспорту и их общее количество;
• Указываем, есть ли теплый пол. Если есть, то какие использованы трубы, их длина и диаметр;
• Теперь общий контур отопления. Указывается материал труб, диаметр и общая протяженность;
• Отмечаем, есть ли дополнительное оборудование (гидрострелка или теплообменник). Если есть, то суммарную вместимость в литрах.

]]]]]]>]]]]>]]>

Теперь остается нажать на кнопку «рассчитать объем теплоносителя» и получить точный результат объема системы в литрах. Никаких сложностей нет.

Допуски

Если все данные указаны точно, то никаких допусков делать не требуется. Основная задача пользователя – это верная информация, а уж программа ошибок не допустит.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? Поддержите нас и поделитесь с друзьями

Как рассчитать правильный расход для любой гидравлической системы —

В сфере водяного отопления и охлаждения регулярно используются определенные формулы. Важный из них касается системы, которая использует воду как средство обеспечения комфорта в галлонах в минуту. Вода — это путь, по которому тепло распределяется из котельной туда, где находятся люди.

От количества воды зависит расход и галлон в минуту. Точная оценка теплопотерь в здании очень важна для определения расчетных условий нагрузки.t ° F

Формула указывает на температуру воды 60 ° F. Однако, поскольку вода 60 ° F слишком холодная для системы водяного отопления и слишком теплая для системы охлажденной воды, для расчета правильного расхода формула должна основываться на более подходящих температурах воды для каждого типа системы, например удельная теплоемкость воды или изменения плотности, возникающие при изменении температуры воды. Кроме того, объем воды меняется, когда она становится горячее или остывает. Как видно из следующего примера, различия настолько минимальны, что стандартная формула отлично работает для всех наших систем отопления и охлаждения.Тогда T будет:

8,04 x 60 x 1,003 x 20 = 9677 BTUH

Чистый эффект незначителен, но есть еще один фактор, который необходимо учитывать для полной оценки. При повышении температуры воды она становится менее вязкой, и поэтому падение давления в ней уменьшается. Когда вода циркулирует при температуре 200 ° F, соответствующее падение давления или «потеря напора» составляет около 80% воды при температуре 60 ° F для типичных небольших гидравлических систем. При расчете с использованием системной кривой расход увеличивается примерно в 10 раз.5%. Теперь вы можете умножить новую рассчитанную теплопередачу на процент увеличения потока:

1,105 x 9677 = 10 693 BTUH

Как вы можете видеть, что касается теплопередачи, простой подход «круглого числа» приведет к расчетным потокам, очень близким к потокам «с поправкой на температуру», при условии, что результаты подхода «круглого числа» не будут скорректированы из исходная основа 60 ° F как для теплопередачи, так и для перепада давления в трубопроводе. Факторы «плюс» и «минус» очень сильно уравновешивают друг друга.

В этой статье представлена ​​точная формула для расчета расхода
в галлонах в минуту (галлонов в минуту) для систем водяного отопления
и систем охлаждения.

Выбор подходящего циркуляционного насоса
галлонов в минуту играет важную роль в обеспечении того, чтобы ваша система отопления работала должным образом. Вам нужен циркуляционный насос подходящего размера, чтобы иметь возможность отводить тепло от котла и доставлять его в систему, где находятся люди.При выборе подходящего циркуляционного насоса вам необходимо не только знать правильный галлон в минуту, но также необходимо знать необходимое падение давления для циркуляции необходимого количества галлонов в минуту.

Когда вода течет по трубам и излучению, она «трется» о стенку трубы, вызывая сопротивление трения. Это сопротивление может повлиять на производительность системы обогрева за счет уменьшения желаемой скорости циркулирующего потока, тем самым уменьшая теплопроизводительность системы. Зная, каким будет это сопротивление, вы можете выбрать циркуляционный насос, который сможет преодолеть падение давления в системе.

Обычно в современных системах мы используем «футы на голову», чтобы описать количество энергии, необходимое для того, чтобы требуемый галлон в минуту был доставлен в систему. Существуют таблицы размеров труб, которые рассчитывают падение давления в футах потери энергии для любого расхода через трубу любого размера. Существуют стандартные методы работы с трубопроводами, в которых промышленность ссылается на ограничение количества галлонов в минуту для данного размера трубы. Это основано на двух причинах:

1. Проблемы скорости (насколько быстро вода движется внутри трубы), которые могут создавать проблемы с шумом, а в экстремальных условиях — проблемы с эрозией.

2. Требуемая потеря напора может стать настолько высокой, что требуемая производительность НАПОРА циркулятора делает выбор системы очень «недружественным», что может привести к проблемам с регулирующим клапаном и шумом скорости. Промышленным стандартом является выбор трубы с сопротивлением трению от 1 до 4 на каждые 100 футов трубы.

Bell & Gossett’s System Syzer помогает определять
галлонов в минуту (галлонов в минуту).

Кстати, Bell & Gossett уже более 50 лет предоставляет инструмент для индустрии гидроники под названием System Syzer.Этот инструмент очень полезен для расчета галлонов в минуту, правильного размера трубы для поддержки галлонов в минуту и ​​соответствующих потерь давления и скорости для любого применения.
Если у вас есть какие-либо вопросы или комментарии, напишите мне по адресу [адрес электронной почты защищен], подпишитесь на меня в Twitter по адресу @Ask_Gcarey или позвоните мне по телефону FIA 1-800-423-7187. ICM

Определение размеров нового водонагревателя

Водонагреватель подходящего размера удовлетворит потребности вашего дома в горячей воде, работая при этом более эффективно. Поэтому перед покупкой водонагревателя убедитесь, что он подходящего размера.

Здесь вы найдете информацию о том, как определить размеры этих систем:

• Водонагреватели без резервуаров или по запросу
• Солнечные водонагреватели
• Накопительные водонагреватели и водонагреватели с тепловым насосом (с резервуаром).

Для определения размеров комбинированных систем водяного отопления и отопления помещений, в том числе некоторых систем с тепловыми насосами, а также змеевиков без резервуара и косвенных водонагревателей, проконсультируйтесь с квалифицированным подрядчиком.

Если вы еще не решили, какой тип водонагревателя лучше всего подходит для вашего дома, узнайте больше о выборе нового водонагревателя.

Определение размеров водонагревателей без резервуаров или водонагревателей по запросу

Водонагреватели без резервуаров или водонагреватели по запросу рассчитаны на максимальное повышение температуры, возможное при заданном расходе. Следовательно, чтобы определить размер водонагревателя по запросу, вам необходимо определить скорость потока и повышение температуры, необходимое для его применения (весь дом или удаленное приложение, например, просто ванная) в вашем доме.

Сначала укажите количество устройств для горячей воды, которые вы планируете использовать одновременно. Затем сложите их скорости потока (галлонов в минуту).Это желаемый расход, который вам нужен для водонагревателя по запросу. Например, предположим, что вы ожидаете одновременного использования крана горячей воды с расходом 0,75 галлона (2,84 литра) в минуту и ​​насадки для душа с расходом 2,5 галлона (9,46 литра) в минуту. Скорость потока через водонагреватель по запросу должна быть не менее 3,25 галлона (12,3 литра) в минуту. Для уменьшения расхода установите арматуру на слабый расход воды.

Чтобы определить повышение температуры, вычтите температуру входящей воды из желаемой выходной температуры.Если вы не знаете иное, предположите, что температура входящей воды составляет 50ºF (10ºC). В большинстве случаев вам нужно нагреть воду до 120ºF (49ºC). В этом примере вам понадобится водонагреватель по запросу, который повышает температуру на 70ºF (39ºC) для большинства применений. В посудомоечных машинах без внутреннего нагревателя и в других подобных устройствах вам может потребоваться нагреть воду до 140ºF (60ºC). В этом случае вам потребуется повышение температуры на 90ºF (50ºC).

Водонагреватели, пользующиеся наибольшим спросом, рассчитаны на различные температуры на входе.Как правило, повышение температуры воды на 70ºF (39ºC) возможно при расходе 5 галлонов в минуту через газовые водонагреватели и 2 галлона в минуту через электрические. Более высокая скорость потока или более низкая температура на входе иногда могут снизить температуру воды в самом дальнем кране. Некоторые типы безбаквальных водонагревателей имеют термостатическое управление; они могут изменять свою температуру на выходе в зависимости от расхода воды и температуры на входе.

Расчет солнечной системы водяного отопления

Расчет солнечной системы водяного отопления в основном включает определение общей площади коллектора и объема накопителя, которые вам понадобятся для удовлетворения 90–100% потребностей вашего домохозяйства в горячей воде летом.Подрядчики солнечной системы используют рабочие листы и компьютерные программы для определения системных требований и размеров коллектора.

Коллекторная площадь

Подрядчики обычно следуют нормативам примерно 20 квадратных футов (2 квадратных метра) площади коллекторов для каждого из первых двух членов семьи. На каждого дополнительного человека добавляйте 8 квадратных футов (0,7 квадратных метра), если вы живете в районе Солнечного пояса США, или 12–14 квадратных футов, если вы живете на севере Соединенных Штатов.

Объем хранения

Небольшого (от 50 до 60 галлонов) резервуара для хранения обычно достаточно для одного-двух-трех человек.Средний (80 галлонов) резервуар для хранения хорошо подходит для трех-четырех человек. Большой резервуар подходит для четырех-шести человек.

Для активных систем размер солнечного резервуара для хранения увеличивается с размером коллектора — обычно 1,5 галлона на квадратный фут коллектора. Это помогает предотвратить перегрев системы при низкой потребности в горячей воде. В очень теплом, солнечном климате некоторые эксперты предлагают увеличить это соотношение до 2 галлонов хранилища на 1 квадратный фут площади коллектора.

Другие расчеты

Дополнительные расчеты, связанные с определением размеров вашей солнечной системы водяного отопления, включают оценку солнечного ресурса вашей строительной площадки и определение правильной ориентации и наклона солнечного коллектора. Посетите страницу солнечных водонагревателей, чтобы узнать больше об этих расчетах.

Для правильного определения размеров накопительного водонагревателя для вашего дома, включая водонагреватель с тепловым насосом с баком, используйте номинал первого часа водонагревателя.Рейтинг за первый час — это количество галлонов горячей воды, которое водонагреватель может подавать в час (начиная с резервуара, полного горячей воды). Это зависит от емкости бака, источника тепла (горелка или элемент) и размера горелки или элемента.

На этикетке EnergyGuide рейтинг первого часа указан в верхнем левом углу как «Емкость (оценка за первый час)». Федеральная торговая комиссия требует наличия маркировки EnergyGuide на всех новых обычных водонагревателях, но не на водонагревателях с тепловым насосом.В документации по продукту от производителя также может быть указана оценка за первый час. Ищите модели водонагревателей с рейтингом в первый час, который соответствует в пределах 1 или 2 галлона вашей потребности в час пик — дневной пиковой потребности в горячей воде для вашего дома за 1 час.

Чтобы оценить потребность в горячей воде:

• Определите, в какое время дня (утро, полдень, вечер) вы используете больше всего горячей воды в своем доме. Помните о количестве людей, живущих в вашем доме.
• Используйте таблицу ниже, чтобы оценить максимальное использование горячей воды в течение этого одного часа дня — это ваша потребность в час максимальной нагрузки.Примечание: таблица не оценивает общее ежедневное потребление горячей воды.

Пример рабочего листа показывает общую потребность в 36 галлонов в час пик. Следовательно, этому домашнему хозяйству потребуется модель водонагревателя с мощностью от 34 до 38 галлонов в первый час.

Расчет затрат на энергию на основе информации из Федеральной программы управления энергопотреблением.
* Приведенная выше таблица основана на стандартном использовании без каких-либо мер по экономии воды.

Энергия, необходимая для нагрева воды

Количество энергии, необходимое для нагрева воды, пропорционально разнице температур чего?

Где…

м = масса нагретой воды

Cp = теплоемкость воды (1 БТЕ / фунт ºF)

ΔT = разница температур.

Пример 1

По оценкам Министерства энергетики США, семья из четырех человек, принимающая душ в течение 10 минут в день, потребляет около 700 галлонов горячей воды в неделю. Вода для душа поступает в дом при температуре 55ºF и ее необходимо нагреть до 120ºF.

Чтобы рассчитать необходимое количество тепла, определите переменные:
м = масса нагретой воды = 700 галлонов = 5810 фунтов
C _p — теплоемкость воды = 1 БТЕ / фунт ºF (дано)
ΔT = разница температур = 120 ºF — 55 ºF

Тепловая энергия, необходимая для нагрева 700 галлонов, может быть рассчитана следующим образом:

Требуемое тепло = 5810 фунтов x 1 БТЕ / фунт ºF x (120 ºF — 55 ºF)
Требуемое количество тепла = 5810 фунтов x 65 ºF
Требуемое количество тепла = 377 650 БТЕ / неделя

Потребность в тепле на один год:

377650 БТЕ / неделя x 52 недели / год = 19 637 800 БТЕ / год или 5755 кВт · ч

Предполагается, что стоимость природного газа составляет 10 долларов США за MMBTU (1 MMBTU = 1000000 BTU), а стоимость электроэнергии равна 0.092 за кВтч, затраты на газ составят 196,37 долларов, а затраты на электроэнергию — 529,46 долларов. Понятно, что электрическое тепло дороже природного газа.

Пример 2

Оцените% экономии энергии электрического водонагревателя, который нагревает 100 галлонов воды в день, когда температура устанавливается на 110 ° вместо 120 ° F. Подвал отапливается и имеет температуру 65 ° F. Срок службы водонагревателя — около 10 лет. Используйте соответствующую стоимость электроэнергии и сравните эксплуатационные расходы.

Требуемое количество тепла (БТЕ) ​​= m x C _p x (разница температур)

Где C _p — теплоемкость воды (1 БТЕ / фунт / фут), а m — масса воды (предположим, что 1 галлон содержит 8,3 фунта воды, а 3,412 БТЕ = 1 кВт · ч)

Решение:

Энергия, необходимая для нагрева воды до 120 ° F :

= м × Cp × ΔT

= 100 галдаев × 8,3 фунт-галл︸м × 1 БТЕЛб ° F︸Cp × (120-65) ° F︸ΔT

= 100 галдей × 8,3 фунта × 1 БТЕ фунт ° F × (120-65) ° F

= 45 650 БТЕ / день

В год необходимое количество энергии:

45 650 БТЕ в день × 365 дней в году = 16 662 250 БТЕ в год

За 10-летний период необходимая энергия составляет 166 622 500 БТЕ, что равно 48 834 кВтч.

166 622 500 БТЕ × 1 кВт · ч 4412 БТЕ = 48 834 кВт · ч

Эксплуатационные расходы в течение срока службы:

48834 кВтч2 × 0,09 USD кВтч = 4395,06 USD

Энергия, необходимая для нагрева воды до 110 ° F :

= м × Cp × ΔT

= 100 галдаев × 8,3 фунт-галл︸м × 1 BTUlb ° F︸Cp × (110-65) ° F︸ΔT

= 100 галдей × 8,3 фунта × 1 БТЕ / фунт ° F × (110-65) ° F

= 37 350 БТЕ / день

В год необходимое количество энергии:

37350 БТЕ в день × 365 дней в году = 13 632 750 БТЕ в год

За 10-летний период необходимая энергия составляет 136 327 500 БТЕ, что равно 39 995 кВтч.

136,327,500 БТЕ × 1 кВтч 4412 БТЕ = 39,995 кВтч

Эксплуатационные расходы в течение всего срока службы:

39 955 кВтч2 × 0,09 доллара США за кВтч = 3595,95 доллара США

Расчетная экономия энергии,% :

4395,06 долл. США — 3595,95 долл. США = экономия 799,11 долл. США

799,11 $ 4395,06 $ = 18,2% экономии

Мощность, необходимая для нагрева объема жидкости

Онлайн расчет

–

Мощность, которая должна быть установлена ​​для повышения температуры в течение заданного времени объема жидкости, содержащейся в резервуаре, является результатом 2 расчетов: расчета мощности для повышения температуры жидкости (Pch) и расчет теплопотерь (Pth).

–

Установленная мощность (кВт) = Тепловая мощность (Pch) + Тепловые потери (Pth)

–

–

1 / Расчет мощности, необходимой для повышения температуры объема жидкости:

–

— Мощность обогрева: Pch (кВт)

— Вес жидкости: M (кг)

— Удельная теплоемкость жидкости: Cp (ккал / кг × ° C)

— Начальная температура: t1 (° C)

— Требуемая конечная температура: t2 (° C)

— Время нагрева: T (ч)

— 1,2 : Коэффициент безопасности, связанный с нашими производственными допусками и вариациями мощности сети

–

Pch = (M × Cp × (t2 — t1) × 1,2) ÷ (860 × T)

–

–

–

a / Расчет массы нагреваемой жидкости:

— Вес жидкости: M (кг)

— Объем нагреваемой жидкости: В (дм3 или литр)

— Плотность жидкости: ρ (кг / дм3)

–

M = V × ρ

–

Значения ρ / Cp для некоторых жидкостей:

Вода: 1/1

Минеральное масло: 0,9 / 0,5

Битум: 1,1 / 0,58

Уксусная кислота: 1,1 / 0,51

Соляная кислота: 1,2 / 0,6

Азотная кислота: 1,5 / 0,66

–

б / Расчет объема жидкости:

В цилиндрической емкости:

— Объем бака: В (дм3)

— Диаметр бака: ∅ (дм)

— Высота жидкости: h2 (дм)

В = π × (∅² ÷ 4) × h2

В прямоугольном резервуаре:

— Объем бака: В (дм3)

— Длина бака: L (дм)

— Ширина бака: Вт (дм)

— Высота жидкости: h2 (дм)

V = Д × Ш × В2

2 / Расчет мощности, необходимой для компенсации потерь тепла:

— Тепловые потери: Pth (кВт)

— Площадь теплообменной поверхности резервуара: S (м2)

— Требуемая конечная температура: t2 (° C)

— Температура: ta (° C)

— Коэффициент обмена: K (ккал / ч × м2 × ° C)

— 1,2 : Коэффициент безопасности, связанный с нашими производственными допусками и вариациями мощности сети

Pth = (S × (t2 — ta) × K × 1,2) ÷ 860

Коэффициент обмена K как функция скорости ветра и толщины изоляции:

а / Расчет площади обменной поверхности резервуара:

Площадь цилиндрической емкости:

— Площадь резервуара: S (м2)

— Диаметр резервуара: ∅ (м)

— Высота резервуара: х3 (м)

S = (π × (∅² ÷ 4)) + (π × ∅ × h3)

Площадь прямоугольного резервуара:

— Площадь резервуара: S (м2)

— Длина резервуара: L (м)

— Ширина бака: Вт (м)

— Высота резервуара: х3 (м)

S = ((Д + Ш) × в3 × 2) + (Д × Ш)

–

Урок 3: Солнечные водонагревательные системы; Размещение и калибровка

Введение

Видимый свет ( инсоляция ) — основной источник энергии, собираемый системами, которые обеспечивают тепло помещений, тепло воды и электричество для домов.Из-за наклона оси Земли количество солнечной инсоляции, падающей на любую точку на поверхности Земли, меняется в течение года. Ежедневно и сезонно количество световой энергии, падающей на поверхность, изменяется от восхода до захода солнца. Атмосферные условия и высота над уровнем моря также являются факторами, влияющими на количество света, достигающего поверхности Земли.

Для участков выше и ниже экватора сезонные колебания обычно отмечаются весенним и осенним равноденствиями, а также летним и зимним солнцестоянием.Равноденствия определяются как время года, когда солнце пересекает экватор (март и 21/22 сентября). В это время наблюдается равное количество часов светового дня и ночи. Летнее и зимнее солнцестояние определяются как время, когда солнце достигает своей самой высокой / самой низкой широты. В северных широтах летнее солнцестояние приходится на 21/22 июня, а зимнее солнцестояние — 21/22 декабря. Летнее солнцестояние — это дата, когда количество световых часов самое длинное, а зимнее солнцестояние — самое короткое количество световых часов.В южном полушарии солнцестояние как раз наоборот.

Перед установкой солнечной водонагревательной системы вы должны сначала рассмотреть солнечный ресурс участка, так как эффективность и конструкция солнечной водонагревательной системы зависят от того, сколько солнечной энергии достигает строительной площадки. Вам также необходимо правильно подобрать размер системы, чтобы обеспечить удовлетворение потребностей дома в горячей воде. В этом уроке вы узнаете, как разместить и определить размер солнечной водонагревательной системы.

Вычисления и единицы энергии

Мы должны уметь измерять и сравнивать энергию и другие величины, чтобы иметь возможность оценить размер солнечных водонагревательных и солнечных электрических систем.Следовательно, нам необходимо понять, какие энергетические расчеты и единицы измерения энергии мы используем для этих оценок.

Определения:

Тепло:
Британская тепловая единица (БТЕ): количество энергии для подъема 1 фунта воды на 1 градус Фаренгейта

Therm: 100 000 британских тепловых единиц

DekaTherm (DKT) : 1 000 000 британских тепловых единиц
Природный газ содержит около 1 датской тонны энергии на 1000 кубических футов газа.

Электроэнергия и энергия
1 Ватт = 1 Вольт * 1 Ампер в чисто резистивных цепях

1000 Вт = 1 киловатт (кВт) (это мощность)

1 кВт * 1 час = 1 киловатт-час (это энергия)

В начало

Размещение солнечной водонагревательной системы

Солнечные водонагревательные системы используют как прямое, так и рассеянное солнечное излучение. Несмотря на более холодный северный климат, Пенсильвания по-прежнему предлагает адекватные солнечные ресурсы. Как правило, если место установки не затемнено с 9 до 15 часов. и выходит на юг, это хороший кандидат на установку солнечной водонагревательной системы.

PVWatts (www.pvwatts.org) — полезный онлайн-калькулятор, который помогает определить солнечные ресурсы в данном месте. В таблице ниже показаны средние летние, зимние и годовые значения солнечной радиации для Уилкс-Барре, штат Пенсильвания.PVWatts может помочь вам определить солнечный ресурс, доступный на вашем конкретном участке, а также помочь вам оценить размер солнечной системы, необходимой для обеспечения необходимой солнечной энергии для солнечных водонагревательных или солнечных электрических систем. ( Совет: чтобы преобразовать киловатт-часы в британские тепловые единицы, умножьте на 3413. Чтобы преобразовать квадратные метры в квадратные футы, умножьте на 10,76 ).

Ориентация коллектора
Ориентация коллектора имеет решающее значение для достижения максимальной производительности от солнечной энергетической системы. В целом, оптимальная ориентация солнечного коллектора в северном полушарии — истинный юг (азимут 1800). Однако недавние исследования показали, что, в зависимости от местоположения и наклона коллектора, коллектор может смотреть на угол до 90 к востоку или западу от истинного юга без значительного снижения его производительности.

Местные климатические условия могут сыграть значительную роль в выборе ориентации коллекторов на восток или запад от истинного юга, а также при определении правильного угла наклона коллекторов. Ориентация и наклон крыши зданий, факторы затенения, эстетика и местные условия также играют важную роль в установке оборудования для сбора солнечных систем.

Вы также должны учитывать такие факторы, как ориентация крыши (если вы планируете установить коллектор на крыше), особенности местного ландшафта, которые затеняют коллектор ежедневно или сезонно, и местные погодные условия (например, туманное утро или облачный день), как эти факторы также могут повлиять на оптимальную ориентацию коллектора.

Наклонный коллектор
Большинство жилых солнечных коллекторов представляют собой плоские панели, которые можно установить на крыше или на земле. Называемые плоскими коллекторами , они обычно фиксируются в наклонном положении, соответствующем широте местоположения. Это позволяет коллекционеру лучше всего улавливать солнце. Эти коллекторы могут использовать как прямые солнечные лучи, так и отраженный свет, проходящий через облака или от земли. Поскольку они используют весь доступный солнечный свет, плоские коллекторы — лучший выбор для многих северных штатов.

Хотя оптимальным углом наклона коллектора является угол, равный широте, плоская установка коллектора на наклонной крыше не приведет к значительному снижению производительности системы и часто желательна по эстетическим соображениям. Однако вы захотите принять во внимание угол наклона крыши при определении размеров системы.

Затенение
Как упоминалось ранее, солнечные коллекторы следует устанавливать на участке, не затененном от 9 а.м. до 15:00 и смотрит на юг. Затенение от гор, деревьев, зданий и других географических объектов может значительно снизить производительность коллектора. Перед установкой солнечной энергетической системы вы должны сначала составить схему движения солнца, чтобы оценить влияние затенения на годовую производительность системы.

В начало

Расчет солнечной водонагревательной системы

Чтобы правильно определить размер солнечной водонагревательной системы, вам необходимо определить общую площадь коллектора и объем хранилища, необходимые для удовлетворения от 90 до 100 процентов потребностей домашнего хозяйства в горячей воде в летний период.Один программный инструмент, который доступен для расчета размеров солнечной системы водяного отопления, — это RetScreen (www.retscreen.net/ang/home.php). Если вы планируете проектировать несколько систем солнечного нагрева воды, вы можете загрузить программное обеспечение для горячего водоснабжения с сайта www.retscreen.net/ang/t_software.php. Это программное обеспечение можно использовать для определения размеров солнечных водонагревательных систем, и мы будем использовать его для проверки приведенного ниже примера расчета практических правил.

Определение размера площади коллектора
Хорошее практическое правило для определения размера площади коллектора в северных климатических условиях, например в Пенсильвании, заключается в том, чтобы оставить 20 квадратных футов (2 квадратных метра) площади коллектора для каждого из первых двух членов семьи и от 12 до 14 квадратных метров. футов для каждого дополнительного человека.

Определение объема хранения
Небольшого (от 50 до 60 галлонов) резервуара для хранения обычно достаточно для одного-двух человек. Средний (80 галлонов) резервуар для хранения хорошо подходит для трех-четырех человек. Большой бак (120 галлонов) подходит для четырех-шести человек.

Для активных солнечных водонагревательных систем размер солнечного накопителя увеличивается с размером коллектора, обычно 1,5 галлона на квадратный фут коллектора. Это помогает предотвратить перегрев системы при низкой потребности в горячей воде.

На веб-сайте Solar Rating and Certification Corporation результаты тепловых характеристик протестированных солнечных коллекторов можно найти по адресу www.fsec.ucf.edu/solar/testcert/collectr/tprdhw.htm. На сайте есть данные о производительности в диапазоне температур, который подходит для выбора коллектора для нагрева потребности в горячей воде. Ниже приводится страница с этого сайта. Имейте в виду, что эти коллекционеры сертифицированы в соответствии с условиями Флориды. Чтобы выбрать правильный размер коллектора для Пенсильвании, необходима процедура проб и ошибок.

Сравнивая суточную потребность в тепле для горячей воды с показателями тепловой производительности протестированных коллекторов, мы хотим выбрать солнечные коллекторы, которые будут производить 45 081 БТЕ / день. Заглянув в столбец БТЕ / день, мы видим, что нам потребуются два коллектора, чтобы соответствовать нашей нагрузке, каждый из которых может обеспечить около 22 541 БТЕ / день.Коллектор AE-32 от компании Alternate Energy Technologies рассчитан на 27 500 БТЕ / день. Каждый из этих коллекторов имеет площадь около 32 квадратных футов. Этот пример выгодно отличается от представленных ранее общих рекомендаций по количеству солнечных коллекторов для установки 20 квадратных футов площади коллектора для первых двух человек и 12 квадратных футов для каждого дополнительного жильца.

Для Пенсильвании резервуар для хранения воды, соединяемый с солнечным коллектором площадью 64 квадратных фута, должен иметь размер не менее 80 галлонов, но лучше использовать резервуар емкостью более 90 галлонов.

В начало

вопросов

1. Используя программное обеспечение RETScreen, коллекторы AET AE-32 будут производить 0,98 МВтч с июня по август, или 36 347 БТЕ в сутки. Это не соответствует нашей расчетной нагрузке на нагрев воды, поэтому нам нужно выбрать другой коллектор. Поскольку у нас дефицит около 8 734 БТЕ в день, или 24%, нам нужно выбрать коллекционеров примерно на 24% больше, чем наша первоначальная оценка. Мы попробуем коллектор AET AE-40 площадью 40 квадратных футов. Используя программу RET Screen, мы видим, что коллекторы AE-40 произведут 1.08 МВтч с июня по август или около 40 055. Что случилось? Почему мы увеличиваем площадь солнечного коллектора на 25% и получаем только на 10% больше горячей воды? Ответ заключается в том, что по мере того, как количество произведенной энергии приближается к количеству используемой энергии, эффективность системы падает, потому что более высокие температуры системы приводят к большим потерям тепла. Система с двумя коллекторами AE-32 имеет КПД системы 35 процентов, обеспечивая при этом 86% энергии, необходимой в летнее время (86% называется солнечной фракцией).Система с двумя коллекторами AE-40 имеет КПД 31%, обеспечивая при этом 95% энергии, необходимой в летнее время. Помните, мы начали с того, что рассчитали систему, чтобы обеспечить 100% энергии для нагрева воды в летнее время.

   Другой параметр конструкции системы, на который нам нужно обратить внимание, — это размер солнечного резервуара для хранения воды. Предыдущий анализ был выполнен с использованием RETScreen с учетом резервуара на 120 галлонов. Каковы были бы КПД и доля солнечной энергии, если бы мы установили резервуар для хранения на 80 галлонов? Модель RETScreen предсказывает, что при использовании резервуара для хранения емкостью 80 галлонов доля солнечной энергии снижается до 93%, а эффективность в летнее время остается на уровне 31%.Таким образом, резервуар меньшего размера снижает долю солнечной энергии в системе.

   Как работает наша система на годовой основе?

   Среднесуточная солнечная радиация за январь и июль и ежегодно для различных углов наклона и азимута в Уилкс-Барре, Пенсильвания (кВтч / м2 / день) Источник: веб-сайт PV Watts www.pvwatts. орг
   Угол наклона	Азимутальный угол	Январь	июля	Ежегодно
   25	180	2.50	5,58	4,19
   25	210	2,40	5,81	4,12
   25	270	1,72	5,52	3,59
   40	180	2,81	5,47	4.19
   40	210	2,66	5,45	4,09
   40	270	1,69	5,08	3,37
   55	180	2,89	4,82	3,98
   55	210	2.79	4,85	3,88
   55	270	1,62	4,55	3,09

2. Используя данные для Уилкс-Барре в таблице выше, какова разница в процентах между среднегодовой дневной солнечной инсоляцией, падающей на поверхность, обращенную на истинный юг (азимутальный угол 1800) с наклоном 25 градусов по сравнению с наклоном 55 градусов? Для наклона на 25 градусов по сравнению с поверхностью, наклоненной на 40 градусов?
3. Какова разница в процентах между среднегодовым значением для поверхности, наклоненной на 25 градусов и обращенной на истинный юг, и той же поверхности, с таким же наклоном, но с азимутальным углом 210 градусов?
4. Какова разница в процентах между среднегодовым значением для поверхности, наклоненной на 25 градусов и обращенной на истинный юг, и той же поверхности, такого же наклона с азимутальным углом 270 градусов? Для поверхностей с уклоном 40 и 55 градусов?
5. Учитывая процентную разницу, показанную в вопросе 3, какой угол наклона более разумно принять, если у вас не было другого выбора, кроме как установить солнечную систему с азимутальным углом 270 градусов? Пожалуйста, объясните свой ответ.
6. Если бы вы жили в Уилкс-Барре и хотели максимально улавливать солнечную инсоляцию зимой, с какими углами наклона и азимута вы бы установили солнечные коллекторы? И наоборот, если вы хотите максимизировать летний сбор солнечной энергии, под каким углом наклона и азимута вы бы установили солнечные коллекторы?
7. В примере определения размеров солнечной системы общая суточная потребность в тепловой энергии для 80 галлонов горячей воды была рассчитана на уровне 45 081 британских тепловых единиц. Какова будет общая потребность в тепловой энергии для 80 галлонов при температуре горячей воды 1400F и той же температуре холодной воды?
8. Какова будет потребность в дополнительной энергии для 80 галлонов горячей воды с температурой горячей воды, установленной на уровне 1200F, и солнечной системой нагрева воды, обеспечивающей 1000F воды на входе холодной воды обычного нагревателя горячей воды для бытового потребления? При расчете принимайте тепловые потери для установленной температуры 120 градусов от обычного нагревателя.

В начало

ответов

Технический справочник — EnergyPlus 8.0

Водяные термобаки — это устройства для хранения тепловой энергии в воде. Самые распространенные виды — водонагреватели. устройства для хранения и нагрева воды. Типичные области применения водонагревателей — это нагрев воды для бытовых нужд, низкотемпературное лучистое отопление помещений и накопление энергии для солнечных систем горячего водоснабжения или рекуперация отработанного тепла.В EnergyPlus объекты водонагревателя могут быть связаны с имитацией контура установки или использоваться автономно. Существуют также резервуары для хранения охлажденной воды, которые можно использовать для хранения холодной воды

Термобак со смешанной водой [ССЫЛКА]

Входной объект WaterHeater: Mixed предоставляет модель, которая имитирует хорошо перемешанный резервуар для воды, т. Е. Не стратифицированный, и подходит для моделирования многих типов водонагревателей и резервуаров для хранения воды, включая газовые и электрические водонагреватели для жилых помещений, множество крупных водонагреватели коммерческие, а также проточные, проточные водонагреватели.Эта модель используется как для смешанного водонагревателя, так и для смешанных резервуаров для хранения охлажденной воды.

Energy Balance [ССЫЛКА]

Предположение о хорошем перемешивании подразумевает, что вся вода в резервуаре имеет одинаковую температуру. Для расчета температуры воды модель аналитически решает дифференциальное уравнение, определяющее энергетический баланс резервуара для воды:

где

 = плотность воды

V = объем резервуара

c _p = удельная теплоемкость воды

T = температура воды в баке

t = время

q _нетто = нетто коэффициент теплопередачи к воде резервуара

Плотность и объем можно заменить на общую массу м. воды в баке получится:

Чистый коэффициент теплопередачи q _нетто представляет собой сумму прибылей и убытков из-за нескольких путей теплопередачи.

где

q _{нагреватель} = тепло, добавляемое нагревательным элементом или горелкой

q _oncycpara = тепло, добавленное из-за паразитных нагрузок во время цикла (ноль, когда выключено)

q _offcycpara = добавленное тепло из-за паразитных нагрузок вне цикла (ноль при включении)

q _oncycloss = передача тепла в / из окружающей среды (ноль в выключенном состоянии)

q _offcycloss = передача тепла в / из окружающей среды (ноль при включении)

q _{использование} = теплопередача к / от подключений к установкам со стороны использования

q _{источник} = теплопередача к / от соединений установки на стороне источника

q _oncycloss и q _offcycloss определены как:

где

UA _oncyc = коэффициент потерь во время цикла в окружающую среду (ноль в выключенном состоянии)

UA _offcyc = коэффициент потерь вне цикла в окружающую среду (ноль при включении)

T _окр. = температура окружающей среды

q _{использовать} и q _{источник} определяется как:

где

 _{использовать} = эффективность теплообменника для подключений к установке на стороне использования

= массовый расход для подключений к установке на стороне использования

T _use = температура жидкости на входе используемых соединений установки

 _{источник} = эффективность теплообменника для соединений установки на стороне источника

= массовый расход для соединений установки на стороне источника

T _{источник} = температура жидкости на входе в соединениях установки на стороне использования

Включая все эти уравнения в исходное дифференциальное уравнение,

Сопутствующие термины, не зависящие от температуры T и термины, зависящие от температуры T дает:

Дифференциальное уравнение теперь имеет вид

где

Решение дифференциального уравнения может быть записано в терминах a и b как:

где

T (t) = температура воды в резервуаре во время t

T _i = начальная температура воды в резервуаре в момент времени t = 0

Однако, если b = 0, решение вместо этого:

Поскольку алгоритм управления иногда должен рассчитывать время, необходимое для достижения заданной температуры, приведенные выше уравнения также можно переформулировать для решения для t .

или, если b = 0,

где

T _f = конечная температура воды в резервуаре в момент времени t.

В особом случае, когда b = 0 и a = 0 и T _f <> T _i , время t равно бесконечности.

Алгоритм управления водонагревателем [ССЫЛКА]

Для водонагревателей опции управления позволяют водонагревателю циклически или модулироваться в соответствии с нагрузкой.Во время цикла нагревательный элемент или горелка либо включены, либо выключены. Нагреватель остается полностью включенным, пока бак нагревается до заданной температуры. При достижении заданного значения нагреватель выключается. Нагреватель остается выключенным до тех пор, пока температура бака не упадет ниже температуры включения, то есть заданной температуры за вычетом разницы температур зоны нечувствительности. Нагреватель непрерывно включается и выключается, чтобы поддерживать температуру бака в пределах зоны нечувствительности. Большинство водонагревателей с накопительным баком работают в цикле.

При плавном регулировании мощность нагревателя изменяется от максимальной до минимальной мощности нагревателя.Нагреватель остается включенным до тех пор, пока требуемая общая потребляемая мощность превышает минимальную мощность. Ниже минимальной мощности нагреватель начнет циклически включаться и выключаться в зависимости от разницы температур в зоне нечувствительности. Большинство безбакерных / проточных водонагревателей модулируются.

В пределах временного шага дифференциальное уравнение решается отдельно для случая, когда нагревательный элемент или горелка «включен» (рабочий цикл) и когда он «выключен» (не работает). Такой подход позволяет разделить потери окружающей среды и паразитные нагрузки на эффекты цикла и вне цикла и подробно учесть их.

Пример того, как алгоритм управления циклически включается и выключается, показан ниже. Потери окружающей среды охлаждают температуру бака до тех пор, пока не будет достигнута нижняя граница зоны нечувствительности (50 C), после чего нагреватель включится и снова нагреет бак до заданного значения (60 C). При заборе воды горячая вода заменяется холодной водой из водопровода. Поступающая холодная вода быстро охлаждает резервуар. В этом примере нагреватель не может справиться с забором воды, и температура в баке продолжает падать, пока забор воды не закончится.

Хотя мгновенная температура воды в резервуаре может значительно изменяться в пределах временного шага (из-за цикличности и т. Д.), Сообщается только средняя температура за временной интервал. Модель вычисляет среднее значение путем кусочного интегрирования площади под кривой мгновенной температуры для каждого уникального набора условий. Мгновенная температура сохраняется внутри программы и распространяется от конца одного временного шага до начала следующего.

Алгоритм управления циклом водонагревателя

Алгоритм управления резервуаром с охлажденной водой [ССЫЛКА]

Входные объекты ThermalStorage: ChilledWater: Mixed и ThermalStorage: ChilledWater: Stratified предоставляют модели резервуаров с охлажденной водой, которые не содержат активных охлаждающих элементов, есть только косвенное охлаждение с помощью удаленных устройств, таких как чиллер.Регуляторы уставки резервуара используются, чтобы определить, должен ли поток запрашиваться через исходную сторону резервуара. Схема управления уставкой и зоной нечувствительности аналогична водонагревателю, но логика меняется на охлаждение вместо нагрева. Уставка температуры — это температура «отключения», а уставка плюс зона нечувствительности — это температура «включения». Если температура резервуара (или узел измерения резервуара для многослойных резервуаров) выше температуры включения, то запрашивается поток. Если температура ниже температуры отключения, поток не требуется.Резервуары охлажденной воды также имеют отдельные графики доступности для стороны использования и стороны источника для дополнительных опций управления.

[LINK]

Для водонагревателей стандартные показатели эффективности рекуперации и коэффициента энергии рассчитываются в соответствии с процедурой испытания 10CFR430. Для имитации процедуры испытания выполняется внутреннее моделирование 24-часового водонагревателя с использованием заданных условий испытания:

• Заданная температура = 57.2 C (135 F)
• Температура окружающей среды = 19,7 C (67,5 F)
• Относительная влажность окружающей среды = 50% (используется для водонагревателей с тепловым насосом)
• Температура на входе (водопровод) = 14,4 C (58 F)

Для водонагревателей с тепловым насосом паразитные нагрузки нагревательного элемента бака водонагревателя и бака водонагревателя отключены, а определяемая пользователем мощность нагрева воды, использование энергии и паразитные нагрузки для теплового насоса используются для расчета эффективности рекуперации и коэффициента энергии .

Смоделированная процедура испытания выполняет шесть равных протяжек примерно 0,041 м ³ (10,7 галлона) в каждый из первых шести часов моделирования. Каждый розыгрыш происходит в течение первого временного интервала часа.

Эффективность рекуперации рассчитывается, когда водонагреватель восстанавливается до заданного значения после первого цикла.

где

м ₁ = масса воды первой розетки

c _p = удельная теплоемкость воды

E ₁ = энергия топлива, потребляемая до восстановления заданного значения (включая паразитные параметры)

Примечание. При расчете нормативов для водонагревателя теплового насоса потребляемая энергия топлива относится к общей энергии, потребляемой компрессором теплового насоса, вентилятором испарителя, насосом конденсатора и паразитными нагрузками.Предполагается, что паразитные нагрузки водонагревателя с тепловым насосом не способствуют нагреву воды (см. Водонагреватель с тепловым насосом).

Коэффициент энергии рассчитывается в конце 24-часового периода моделирования.

где

м _всего = общая водная масса всех шести розеток

c _p = удельная теплоемкость воды

E _всего = общая энергия топлива, потребленная за 24 часа (включая паразитные)

При определенных входных параметрах метод оценки не будет успешным, и будет сгенерировано предупреждающее сообщение.Проблемы возникают, когда входные данные не позволяют резервуару восстановиться до заданной температуры в течение периода тестирования. Это может произойти, если максимальная мощность нагревателя занижена или если разница температур в зоне нечувствительности достаточно велика, чтобы первое прохождение теста не привело к включению нагревателя. В любом случае тест эффективности восстановления не будет рассчитан должным образом, потому что восстановление до заданного значения не было достигнуто.

Источники [ССЫЛКА]

10CFR430. Раздел 10, Свод федеральных правил, Часть 430 — Программа энергосбережения для потребительских товаров, Приложение E к подразделу B — Единая процедура испытаний для измерения потребления энергии водонагревателями .

Водонагреватель с тепловым насосом [ССЫЛКА]

[ССЫЛКА]

Входной объект WaterHeater: HeatPump предоставляет модель для водонагревателя с тепловым насосом (HPWH), который представляет собой составной объект, состоящий из бака водонагревателя (например, WaterHeater: Mixed или WaterHeater: Stratified), змеевика прямого расширения (DX). ”(I.е., система сжатия DX воздух-вода, которая включает водяной нагревательный змеевик, воздушный змеевик, компрессор и водяной насос) и вентилятор для обеспечения потока воздуха через воздушный змеевик, связанный с системой сжатия DX. Эти объекты работают вместе, чтобы моделировать систему, которая нагревает воду с использованием зонального воздуха, наружного воздуха или комбинации зонального и наружного воздуха в качестве основного источника тепла.

Можно смоделировать многочисленные конфигурации расположения бака, источника входящего воздуха и расположения компрессора змеевика DX.Компрессор змеевика DX может быть расположен в зоне, на открытом воздухе, или температура окружающей среды вокруг компрессора может быть запланирована. Расположение компрессора контролирует работу его подогревателя картера. Расположение бака водонагревателя указывается в объекте бака водонагревателя и не зависит от расположения компрессора. Кроме того, конфигурация приточного воздуха может быть определена одним из нескольких способов. Узел воздушного змеевика и вентилятора водонагревателя теплового насоса может втягивать входящий воздух из зоны и наружный воздух с помощью дополнительного смесителя и разветвителя, как показано на первом рисунке ниже.При использовании воздушные потоки в смесителе и разделителе регулируются по единому расписанию входного воздушного смесителя. Когда HPWH забирает входящий воздух исключительно из зоны, смеситель / разделитель не требуется, как показано на втором рисунке ниже. В этом случае воздух, поступающий в испаритель и вентиляторный блок, полностью состоит из воздуха зоны, а воздух на выходе теплового насоса направляется обратно в зону. На последнем рисунке показан HPWH, который забирает воздух на входе исключительно снаружи и также выбрасывает воздух на выходе.Каждая из этих конфигураций также может быть подключена к контуру горячего водоснабжения установки (через узлы использования бака водонагревателя).

Схема водонагревателя с тепловым насосом с дополнительными узлами смесителя / разветвителя

Схема водонагревателя с тепловым насосом с впуском воздуха из зоны

Схема водонагревателя с тепловым насосом с воздухозаборником снаружи

Примечание. Расположение бака водонагревателя, показанное на рисунках выше, полностью не зависит от конфигурации воздуха на входе водонагревателя теплового насоса и расположения его компрессора.Бак водонагревателя может быть расположен вне помещения, в зоне, или температура окружающей среды вокруг бака может быть спланирована, как описано в разделе, посвященном смешанному водонагревателю, ниже.

[ССЫЛКА]

Для входа водонагревателя теплового насоса требуется график уставки температуры компрессора и разница температур зоны нечувствительности, которые не зависят от графика уставки температуры и разницы температур зоны нечувствительности для нагревателя (элемента или горелки), связанного с баком водонагревателя.Температура включения компрессора теплового насоса определяется как заданная температура компрессора теплового насоса за вычетом разницы температур в зоне нечувствительности.

где:

= Температура включения компрессора теплового насоса (° C)

= заданная температура компрессора теплового насоса (° C)

= Разница температур зоны нечувствительности компрессора теплового насоса (° C)

В этой модели система сжатия DX водонагревателя теплового насоса считается основным источником тепла, а нагреватель водонагревателя (элемент или горелка) обеспечивает дополнительное тепло по мере необходимости.Следовательно, температура включения компрессора теплового насоса (уставка минус разница температур в зоне нечувствительности) обычно выше, чем уставка температуры для нагревателя (элемента или горелки) в соответствующем объекте резервуара водонагревателя. Иногда, когда заданная температура бака водонагревателя превышает температуру включения компрессора теплового насоса, компрессор теплового насоса отключается, и нагреватель бака используется для нагрева воды.

Моделирование начинается с расчета условий воздуха, поступающего в воздушный змеевик (испаритель) / вентиляторный блок, на основе конфигурации входящего воздуха водонагревателя теплового насоса и наличия дополнительных узлов смесителя / разделителя.Когда HPWH всасывает входящий воздух из зоны и снаружи с помощью дополнительных узлов смесителя / разделителя (т.е.Конфигурация входящего воздуха = зона и наружный воздух), условия входящего воздуха рассчитываются следующим образом:

где:

= текущее значение графика впускного воздушного смесителя (доля наружного воздуха, 0-1)

= температура воздуха по сухому термометру на входе в испаритель / вентилятор HPWH (° C)

= температура наружного воздуха по сухому термометру (° C)

= температура по сухому термометру воздуха в зоне (выхлоп) (° C)

= отношение влажности воздуха на впуске к узлу испаритель / вентилятор HPWH (кг / кг)

= коэффициент влажности наружного воздуха (кг / кг)

= коэффициент влажности воздуха зоны (вытяжной) (кг / кг)

Когда водонагреватель теплового насоса всасывает входящий воздух исключительно из зоны (т.е.e., конфигурация впускного воздуха = только зона для воздуха), условия воздуха на впуске в блок испарителя / вентилятора просто устанавливаются равными условиям зонального (вытяжного) воздуха. Если водонагреватель с тепловым насосом всасывает входящий воздух исключительно снаружи (т. Е. Конфигурация входящего воздуха = только наружный воздух), условия входящего воздуха в испаритель / вентиляторный блок просто устанавливаются равными условиям наружного воздуха. Когда входящий воздух в испаритель водяного нагревателя теплового насоса и вентиляторный блок запланированы (т. Е. Конфигурация входящего воздуха = Расписание), условия входящего воздуха определяются непосредственно из предоставленных пользователем расписаний следующим образом.

где:

= относительная влажность воздуха на входе в узел испарителя / вентилятора нагревателя воды теплового насоса (0-1)

= психрометрическая функция, возвращающая соотношение влажности воздуха с учетом температуры по сухому термометру, относительной влажности и барометрического давления

= атмосферное давление вне помещения (Па)

Для каждого временного шага моделирования мощность нагрева воды тепловым насосом, использование энергии и массовый расход на стороне воздуха / воды устанавливаются на ноль, а бак водонагревателя моделируется с отключенным компрессором теплового насоса при любом из следующих применяются условия:

HPWH запланировано на график его доступности,

заданная температура бака водонагревателя больше или равна температуре включения компрессора теплового насоса,

температура воздуха по сухому термометру на входе в испаритель / вентилятор меньше минимальной температуры воздуха на входе для работы компрессора теплового насоса (как указано пользователем в объекте ввода HPWH), или

, заданная температура HPWH больше или равна максимальному пределу температуры (указанному в Водонагревателе: смешанный объект).

В противном случае моделирование водонагревателя теплового насоса основано на его текущем режиме работы. Этот режим работы либо плавающий (компрессор теплового насоса выключен и температура воды в баке не упала ниже температуры включения компрессора теплового насоса), либо нагрев (температура воды в баке упала ниже температуры включения компрессора на предыдущем временном шаге, но не удалось достичь заданной температуры компрессора). Каждый режим обрабатывается по-своему, и они будут обсуждаться отдельно.

Если водонагреватель с тепловым насосом использует модель многослойного резервуара, тогда существует более одного значения для температуры резервуара. Модель включает входные данные для того, где органы управления тепловым насосом определяют температуру, в виде шести вариантов для выбора ключевых слов: Heater1, Heater2, SourceInlet, SourceOutlet, UseInlet и UseOutlet. Входные данные в связанном WaterHeater: Stratified включают высоты этих местоположений, и ближайший узел стратифицированного резервуара идентифицируется на основе этих высот.Когда модели теплового насоса необходимо оценить температуру в многослойном резервуаре, она оценивает температуру в узле резервуара, связанном с этими местоположениями.

Float Mode [ССЫЛКА]

Когда температура бака водонагревателя теплового насоса колеблется между температурами включения и выключения компрессора теплового насоса в конце предыдущего временного шага моделирования, и компрессор теплового насоса, и нагревательный элемент бака водонагревателя отключаются, и рассчитывается результирующая температура резервуара.Если результирующая температура в баке ниже температуры включения компрессора теплового насоса, коэффициент частичной нагрузки компрессора теплового насоса оценивается с использованием коэффициента разницы температур, показанного ниже. Коэффициент частичной нагрузки не может быть меньше нуля или больше единицы.

где:

= коэффициент частичной нагрузки компрессора водонагревателя теплового насоса

= температура бака в поплавковом режиме, когда мощность нагрева установлена ​​на ноль (° C)

= температура резервуара в начале временного шага моделирования (° C)

Поскольку предполагается, что насос и вентилятор включаются и выключаются вместе с компрессором теплового насоса, средний массовый расход воды в конденсаторе и испарителя для временного шага моделирования рассчитывается на основе PLR, рассчитанного выше:

где:

= средний массовый расход воды через конденсатор для временного шага (кг / с)

= объемный расход воды через конденсатор, вводимый пользователем (м ³ / с)

= плотность воды на входе в конденсатор (кг / м ³ )

= средний массовый расход воздуха испарителя / вентилятора для временного шага (кг / с)

= объемный расход воздуха испарителя / вентилятора, ввод пользователя (м ³ / с)

= плотность воздуха на входе в испаритель / вентилятор (кг / м ³ )

Температура водяного бака затем рассчитывается на основе работы теплового насоса при коэффициенте частичной нагрузки, оцененном выше, и при включенном нагревательном элементе водяного бака.Если результирующая температура бака для воды выше заданной температуры (температуры отключения) компрессора теплового насоса, то коэффициент частичной нагрузки уменьшается, и бак водонагревателя моделируется снова. Процесс выполняется итеративно, пока коэффициент частичной нагрузки компрессора теплового насоса не достигнет желаемой заданной температуры (насколько это возможно).

Режим нагрева [ССЫЛКА]

Когда HPWH находится в режиме нагрева в конце предыдущего временного шага моделирования (т.е.е. компрессор теплового насоса работал во время предыдущего временного шага моделирования, но не смог достичь заданной температуры), включаются как компрессор теплового насоса, так и нагревательный элемент бака водонагревателя. Коэффициент частичной нагрузки компрессора теплового насоса установлен на 1, а массовые расходы воды в конденсаторе и испарителя установлены на их максимальные значения.

Если результирующая температура в резервуаре выше заданной температуры (отключения) компрессора теплового насоса, коэффициент частичной нагрузки компрессора теплового насоса уменьшается, и резервуар водонагревателя моделируется снова.Процесс выполняется итеративно, пока коэффициент частичной нагрузки компрессора теплового насоса не достигнет желаемой заданной температуры (насколько это возможно).

Условия выпуска воздуха на стороне HPWH рассчитываются путем моделирования вентилятора и змеевика DX с продувкой или протяжкой вентилятора (выбирается пользователем). Если используются узлы смесителя / разветвителя, модель HPWH разделяет массовый расход воздуха на выходе теплового насоса с потоком отработанного воздуха, равным потоку наружного воздуха, а остаток отработанного воздуха направляется в узел приточного воздуха зоны (т.е., гарантирует, что водонагреватель теплового насоса не способствует повышению давления в зоне или ее разгерметизации). Расчеты теплопроизводительности теплового насоса по нагреванию воды, использования энергии, производительности на стороне воздуха и разницы температур на стороне воды выполняются в соответствующем объекте DX Coil. Дополнительные сведения см. В разделе технической справки по объекту Coil: WaterHeating: AirToWaterHeatPump.

[ССЫЛКА]

После завершения расчетов поплавкового режима или режима нагрева и определения окончательного коэффициента частичной нагрузки выходные (отчетные) переменные рассчитываются следующим образом:

где:

= паразитная электрическая нагрузка во время цикла, ввод пользователя (Вт)

= паразитная электрическая нагрузка вне цикла, ввод пользователя (Вт)

= временной шаг моделирования системы HVAC (часы)

Примечание: Все выходные переменные на выходе водонагревателя теплового насоса, включая вспомогательную электроэнергию и потребление вне цикла, равны 0, когда график готовности водонагревателя теплового насоса равен 0 (т.е., водонагреватель теплового насоса по расписанию ВЫКЛЮЧЕН).

Термобак для стратифицированной воды [ССЫЛКА]

Входные объекты WaterHeater: Stratified и ThermalStorage: ChilledWater: Stratified предоставляют модели для термобака с стратифицированной водой, который делит резервуар для воды на несколько узлов равного объема. Эта модель используется как для стратифицированного водонагревателя, так и для накопительного бака стратифицированной охлажденной воды. Узлы связаны эффектами вертикальной проводимости, потоком жидкости между узлами и перемешиванием с инверсией температуры.Объект одновременно решает дифференциальные уравнения, управляющие балансами энергии в узлах, с использованием численного метода Форварда-Эйлера. Шаг системного времени разделен на подшаги продолжительностью в одну секунду, что позволяет моделировать события, которые происходят в очень коротком временном масштабе.

Energy Balance [ССЫЛКА]

Подобно хорошо перемешанной модели, стратифицированная модель решает одно и то же фундаментальное дифференциальное уравнение, определяющее баланс энергии в массе воды:

где

м = масса воды

c _p = удельная теплоемкость воды

T = температура воды

t = время

q _нетто = нетто коэффициент теплопередачи

Отличие стратифицированной модели состоит в том, что она должна решать энергетический баланс на n узлах одновременно.Узел 1 находится в верхней части резервуара для воды, а узел n находится в нижней части резервуара для воды.

где

м _n = масса воды для узла n

c _p = удельная теплоемкость воды

T _n = температура воды для узла n

t = время

q _{net, n} = чистая скорость теплопередачи для узла n

Чистый коэффициент теплопередачи q _нетто представляет собой сумму прибылей и убытков из-за нескольких путей теплопередачи.

где

q Нагреватель _{, n} = тепло, добавляемое Нагревателем 1 или Нагревателем 2

q _{oncycpara, n} = тепло, добавленное из-за паразитных нагрузок во время цикла (ноль, когда выключено)

q _{offcycpara, n} = тепло, добавленное из-за паразитных нагрузок вне цикла (ноль при включении)

q _{oncycloss, n} = теплопередача в / из окружающей среды (ноль в выключенном состоянии)

q _{offcycloss, n} = передача тепла в / из окружающей среды (ноль при включении)

q _{cond, n} = теплопередача за счет теплопроводности между узлами выше и ниже

q _{использование, n} = теплопередача к / от подключений к установкам со стороны использования

q _{источник, n} = теплопередача к / от соединений установки на стороне источника

q _{поток, n} = теплопередача за счет потока жидкости из узла выше и ниже

q _{invmix, n} = теплопередача за счет инверсионного смешения от узла выше и ниже

q _{oncycloss, n} и q _{offcycloss, n} определены как:

где

UA _{oncyc, n} = коэффициент потерь во время цикла в окружающую среду (ноль в выключенном состоянии)

UA _{offcyc, n} = коэффициент потерь вне цикла в окружающую среду (ноль при включении)

T _окр. = температура окружающей среды

q _{cond, n} определяется как:

где

k = жидкая теплопроводность воды, 0.6 Вт / м-К

A _{n + 1} = общая площадь поверхности между узлом n и узлом n + 1

L _{n + 1} = расстояние между центром масс узла n и n +1

T _{n + 1} = температура узла n + 1

A _n-1 = общая площадь поверхности между узлом n и узлом n-1

L _n-1 = расстояние между центром масс узла n и n -1

T _n-1 = температура узла n-1

q _{использование, n} и q _{источник, n} определены как:

где

 _{использовать} = эффективность теплообменника для подключений к установке на стороне использования

= массовый расход для подключений к установке на стороне использования

T _use = температура жидкости на входе используемых соединений установки

 _{источник} = эффективность теплообменника для соединений установки на стороне источника

= массовый расход для соединений установки на стороне источника

T _{источник} = температура жидкости на входе в соединениях установки на стороне источника

q _{расход, n} определяется как:

где

= массовый расход от узла n + 1

= массовый расход от узла n-1

q _{invmix, n} определяется как:

где

= массовый расход от узла n + 1 из-за перемешивания с инверсией температуры

= массовый расход от узла n-1 из-за перемешивания с инверсией температуры

Инверсионное смешение происходит, когда нижний узел теплее, чем узел выше.Разница в температуре приводит к разнице в плотности, что приводит к перемешиванию узлов. Обычно инверсионное перемешивание происходит очень быстро. В этом алгоритме скорость инверсионного смешивания выбирается как максимальное значение, которое обеспечит стабильное решение с учетом массы узла и интервала подшагов:

где

t = временной интервал подшага.

Порядок расчета температур на выходе пара из исходной жидкости и жидкости зависит от значений КПД.Если эффективность равна 1,0, то предполагается полное смешивание этого жидкого пара и воды в резервуаре. В этом случае температуры на выходе для использования и исходных потоков будут просто температурами воды в резервуаре в точках выпускных узлов. Когда эффективность меньше 1,0, предполагается косвенный теплообмен между использованием или исходным потоком и водой в стратифицированном резервуаре для хранения тепла. Когда эффективность меньше 1,0, температура использования и на выходе источника рассчитывается с использованием Q _{, использования} и Q _{источника} и уравнений баланса энергии следующим образом:

где,

T ~ на выходе ~ ~~ = температура жидкости на выходе из подключений к установке на стороне использования

T ~ исходный выход ~ ~~ = температура жидкости на выходе из соединений установки на стороне источника

Численное решение [ССЫЛКА]

Система одновременных дифференциальных уравнений решается численным методом Форварда-Эйлера.Шаг системного времени разделен на подшаги продолжительностью в одну секунду. Новая температура для данного узла рассчитывается с использованием следующего уравнения:

Все температуры узлов для q _{net, n} — старые температуры из предыдущего подэтапа.

Перед вычислением каждого шага системного времени выполняются следующие оценки:

Расходы на входе использования и источника применяются к входным узлам

Определен межузловой поток и определены чистые расходы

Перед вычислением каждого подшага выполняются следующие оценки:

Термостатические регуляторы для нагревателя 1 и нагревателя 2 оцениваются, чтобы определить, должны ли нагревательные элементы включаться или выключаться

Температура узла 1 сравнивается с максимальным пределом для определения необходимости вентиляции

Температуры соседних узлов сравниваются, чтобы определить, есть ли какие-либо температурные инверсии, для которых следует использовать инверсионную скорость смешения.

Решение продолжает перебирать все подшаги до тех пор, пока не завершится шаг системного времени.

Источники [ССЫЛКА]

Даффи Дж. И У. Бекман. 1980. Солнечная инженерия тепловых процессов . Джон Вили и сыновья.

Ньютон, Б. 1995. Моделирование резервуаров для хранения солнечной энергии . Магистерская диссертация, Университет Висконсин-Мэдисон.

Размер водяного обогрева [ССЫЛКА]

Некоторые входы для водонагревателей могут быть автоматически настроены с помощью объекта ввода WaterHeater: Sizing.В этом разделе описаны расчеты размеров водонагревателей. Существует шесть общих методов определения объема резервуара и теплопроизводительности.

Автоматический выбор объема резервуара [ССЫЛКА]

Объем водонагревателя можно подобрать следующим образом, в зависимости от выбранного пользователем метода проектирования.

Peak Draw. Объем определяется из расчетного расхода контура. Водонагреватель расположен на подающей стороне контура установки. После выполнения процедур определения размеров установки модель получает расчетный расход для всех компонентов со стороны спроса.Объем бака тогда:,

Жилой HUD-FHA минимум. Объем определяется из набора правил, определенных в таблице ниже. Это из главы 48 справочника ASHRAE HVAC Applications, 1999 г., Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Атланта, Джорджия. (также используется в тесте Building America Benchmark).

Таблица: Жилой HUD-FHA минимум

Жилой HUD-FHA Минимальная мощность накопителя горячей воды и горелки (ASHRAE 1999) # Спальни | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 # Ванные | Все | ≤1.5 | 2-2,5 | ≥3 | ≤1,5 ​​ | 2-2,5 | ≥3 | ≤1,5 ​​ | 2-2,5 | ≥3 | Все | Все Газ |||||||||||| Хранение (галлоны) | 20 | 30 | 30 | 40 | 30 | 40 | 40 | 40 | 40 | 50 | 50 | 50 Горелка (кБТЕ / час) | 27 | 36 | 36 | 36 | 36 | 36 | 38 | 36 | 38 | 38 | 47 | 50 Электрический |||||||||||| Хранение (галлоны) | 20 | 30 | 40 | 50 | 40 | 50 | 50 | 50 | 50 | 66 | 66 | 80 Горелка (кВт) | 2,5 | 3,5 | 4,5 | 5,5 | 4,5 | 5,5 | 5,5 | 5,5 | 5,5 | 5.5 | 5.5 | 5.5

на человека. Объем резервуара определяется путем суммирования проектного уровня людей в модели и умножения на введенный пользователем коэффициент объема на человека.

на площадь. Объем резервуара определяется путем суммирования площади пола во всех зонах в модели и умножения на введенный пользователем объем на коэффициент площади пола.

за единицу. Объем резервуара определяется путем умножения введенного пользователем объема на единицу и введенного пользователем количества единиц.

на площадь солнечного коллектора. Объем резервуара определяется путем суммирования площади коллектора всех солнечных коллекторов горячей воды в модели и умножения на введенный пользователем объем на коэффициент площади коллектора.

Автоматический подбор мощности нагревателя [ССЫЛКА]

Мощность нагревателя может быть изменена следующими способами в зависимости от метода проектирования, выбранного пользователем.

Peak Draw. Мощность нагревателя определяется объемом резервуара, предполагаемой начальной и конечной температурами и временем восстановления, определяемым пользователем. Мощность нагревателя тогда

где,

Жилой HUD-FHA минимум.Мощность нагревателя определяется из набора правил, определенных в таблице выше. Это из справочника ASHRAE HVAC Applications, 1999 г., Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, Атланта, Джорджия. (также использовался тест Building America Benchmark).

на человека. Мощность нагревателя определяется путем суммирования проектного уровня людей в модели и использования введенного пользователем коэффициента для мощности рекуперации на человека. Мощность нагревателя тогда:

на площадь.Мощность обогревателя определяется путем суммирования площадей пола во всех зонах модели и использования введенного пользователем коэффициента для регенерации на площадь пола. Мощность нагревателя тогда:

за единицу. Мощность нагревателя определяется на основе введенной пользователем емкости рекуперации на единицу и введенного пользователем количества единиц. Мощность нагревателя тогда:

на площадь солнечного коллектора. Предполагается, что водонагреватель будет использоваться для накопления горячей воды на солнечной энергии, а мощность нагревателя установлена ​​на ноль.

Автоматический подбор высоты резервуара [ССЫЛКА]

Если водонагреватель многослойный, важна его геометрия, и высота бака может изменяться с изменением объема. Для резервуаров с вертикальным цилиндром заданное пользователем соотношение сторон высоты AR используется для расчета высоты резервуара H с использованием

Автоматическая установка параметров расхода при подключении к установке [ССЫЛКА]

Когда водяной термобак подсоединен к контуру установки, удобно автоматически изменять расчетные объемные расходы через соединения установки.Когда водяной термобак подсоединен к стороне подачи контура установки и скорости потока автоматически изменяются, скорость потока является суммой запросов на поток всех различных компонентов на стороне потребления этого контура установки. Когда водяной термобак подключается к потребляемой стороне контура установки (например, как для косвенного нагрева воды с бойлером) и скорость потока устанавливается автоматически, расчетная скорость потока рассчитывается по следующему уравнению:

где

V = объем резервуара

= Пользовательский параметр для времени, необходимого резервуару для восстановления от предполагаемой начальной температуры до предполагаемой заданной температуры.Для водонагревателей начальная температура составляет 14,4 ° C, а конечная предполагаемая заданная температура составляет 57,2 ° C. Для резервуаров с охлажденной водой начальная температура составляет 14,4 ºC, а конечная температура — 9,0 ºC.

=  _{использовать} или  _{источник}

= температура на выходе, указанная в объекте определения размеров завода

= конечная температура резервуара 57,2 ° C для нагревателей и 9,0 ° C для резервуаров с охлажденной водой.

= начальная температура резервуара 14.4ºC

Если размеры подключений на стороне потребления устанавливаются автоматически, а объем резервуара водонагревателя — автоматически, то проблема не может быть легко решена в EnergyPlus, поскольку потоки на стороне потребления должны сообщаться ранее в моделировании, а объем резервуара еще не доступен. Эта ситуация решается путем использования промежуточного номинального объема резервуара для определения размеров соединений, а фактический объем рассчитывается позже в моделировании.

Методы оценки расхода пара

Компоненты подогрева и потери тепла

В любом процессе нагрева компонент нагрева будет уменьшаться по мере повышения температуры продукта, а разница температур на нагревательной спирали уменьшается.Однако компонент тепловых потерь будет увеличиваться по мере повышения температуры продукта и емкости, и больше тепла будет потеряно в окружающую среду от емкости или трубопроводов. Общая потребность в тепле в любой момент времени складывается из этих двух компонентов.

Если размер поверхности нагрева подбирается только с учетом компонента нагрева, возможно, что будет недостаточно тепла для того, чтобы процесс достиг своей ожидаемой температуры. Нагревательный элемент, если его размер определяется суммой средних значений обоих этих компонентов, обычно должен быть в состоянии удовлетворить общую потребность в тепле в приложении.

Иногда, например, с очень большими резервуарами для хранения нефти, имеет смысл поддерживать температуру выдержки ниже требуемой температуры перекачки, так как это снизит тепловые потери с поверхности резервуара. Можно использовать другой метод нагрева, например, вытяжной нагреватель, как показано на рисунке 2.6.4.

Нагревательные элементы заключены в металлический кожух, выступающий в резервуар, и сконструированы таким образом, что только масло в непосредственной близости всасывается и нагревается до температуры откачки.Таким образом, тепло требуется только при откачке масла, а поскольку температура в баке понижается, часто можно обойтись без запаздывания. Размер выходного нагревателя будет зависеть от температуры сыпучего масла, температуры откачки и скорости откачки.

Добавление материалов в технологические резервуары с открытым верхом также можно рассматривать как компонент тепловых потерь, который увеличивает потребность в тепле.