CC BY
0
2.3.1 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ
И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ, СТАТИСТИКА (ТЕХНИЧЕСКИЕ, ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ)
SYSTEM ANALYSIS, INFORMATION MANAGEMENT
AND PROCESSING, STATISTICS
DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-4-45-57 УДК: 004.3+697.7 ГРНТИ: 20.53.19 EDN: GEECSK
Гелиоводонагревательная установка для загородного дома
В.А. Рыбак1, а ©, И.М. Римарев2 ©
1 Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г. Минск, Республика Беларусь
2 Белорусская государственная академия связи, г. Минск, Республика Беларусь
а E-mail: [email protected]
Аннотация. В работе рассматривается система теплоснабжения для загородного дома, включающая методы автоматизации и прогнозирования теплоотдачи. Исследование основано на интеграции гелиопанелей и аппаратного обеспечения для формирования автоматизированной системы управления (АСУ), которая адаптируется к климатическим условиям, времени суток и положению солнечных панелей. Система учитывает изменения температуры, погодные факторы и положение солнца, что позволяет минимизировать теплопотери и повысить энергоэффективность. Применение данной системы позволяет сократить расходы на отопление и обеспечивает экологичность за счет использования возобновляемых источников энергии. Автоматизированная система управления и диспетчеризации для предложенной модели гелиоводонагревательной установки загородного дома предназначена для мониторинга состояния оборудования индивидуальных тепловых пунктов и позволяет: предоставлять службам автоматического управления актуальную и точную информацию о функционировании оборудования; осуществлять оперативный контроль за состоянием гелиосистем и технологического оборудования; отслеживать выход за допустимые пределы инструментальных и технологических параметров теплоотдачи установки; внедрять модули для изменения параметров работы установки, обеспечивая интеграцию в единую систему доступа к технологическим данным и текущему состоянию оборудования. Контроль положения гелиопанелей и использование датчиков температуры, давления и уровня тепловой энергии позволяет поддерживать оптимальный микроклимат внутри здания. Работу насосов и баков-аккумуляторов регулирует АСУ, предотвращая перегрузки и минимизируя энергозатраты. Подобные возможности автоматизации делают систему водоснабжения устойчивой и энергоэффективной, особенно в условиях низких температур и высокой солнечной активности.
Ключевые слова: система теплоснабжения, загородный дом, автоматизация, прогнозирование, теплоотдача, гелиопане-ли, АСУ, энергоэффективность, климатические условия, солнечная энергия
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ: Рыбак В.А., Римарев И.М. Гелиоводонагревательная установка для загородного дома // Computational Nanotechnology. 2024. Т. 11. № 4. С. 45-57. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-4-45-57. EDN: GEECSK
DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-4-45-57
Solar Water Heating System for a Country House
V.A. Rybak1, а ©, I.M. Rimarev2 ©
1 Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, Minsk, Republic of Belarus
2 Belarusian State Academy of Telecommunications, Minsk, Republic of Belarus
а E-mail: [email protected]
Abstract. The paper considers a heating system for a country house, including methods for automation and forecasting of heat transfer. The study is based on the integration of solar panels and hardware to form an automated control system (ACS) that adapts to climatic conditions, time of day and position of solar panels. The system takes into account temperature changes, weather factors and the position of the sun, which allows to minimize heat loss and increase energy efficiency. The use of this system allows to reduce heating costs and ensures environmental friendliness due to the use of renewable energy sources. The automated control and dispatching system for the proposed model of a solar water heating system for a country house is designed to monitor the condition of equipment at individual heating points and allows: to provide automatic control services with up-to-date and accurate information on the operation of the equipment; to carry out operational control over the condition of solar systems and process equipment; to track the exit beyond the permissible limits of instrumental and process parameters of heat transfer of the system; to implement modules for changing the operating parameters of the system, ensuring integration into a single system of access to process data and the current state of the equipment. The control of the position of the heliopanels and the use of temperature, pressure and thermal energy sensors allows you to maintain an optimal microclimate inside the building. The operation of pumps and storage tanks is regulated by the automated control system, preventing overloads and minimizing energy consumption. Such automation capabilities make the water supply system sustainable and energy efficient, especially in conditions of low temperatures and high solar activity.
Key words: heating system, country house, automation, forecasting, heat transfer, solar panels, ACS, energy efficiency, climatic conditions, solar energy
FOR CITATION: Rybak V.A., Rimarev I.M. Solar Water Heating System for a Country House. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 4. Pp. 45-57. (In Rus.). DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-4-45-57. EDN: GEECSK
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
В Российской Федерации есть достаточно аргументированные предпосылки для масштабного использования энергии солнечного излучения - это, в первую очередь, наличие значительного гелиоэнергетического потенциала и научно-технической и промышленной базы для широкого внедрения всех основных направлений возобновляемой энергетики. На данный момент перед нашей страной стоит задача по снижению использования традиционных топливо-энергетических ресурсов за счет использования альтернативных и возобновляемых источников энергии.
Данная статья посвящена актуальной задаче улучшения характеристик гелиоэнергетических и фототермических модулей, определяющих их энергетическую и технико-экономическую эффективность установки горячего водоснабжения благодаря разработке системы автоматического управления (САУ). Для решения этой задачи в работе исследуются процессы преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию в абсорберах гелиоэнергетических и комбинирован-
ных фототермических модулей, перемещения теплоты в теплоотводах для установки горячего водоснабжения с применением синергетического подхода для анализа процессов рационализации работы системы, а результаты физического эксперимента позволяют повысить уровень как фундаментальных, так и прикладных исследований в области гелиоэнергетики.
Исследованию средств повышения энергетических и технико-экономических характеристик систем преобразования энергии солнечного излучения, в том числе повышению энергоэффективности коллекторов солнечной энергии из полимерных материалов и исследованию композиционных материалов, посвящено много научных работ отечественных и иностранных ученых, среди которых необходимо отметить Дж.А. Даффи, УА. Бекмана [5], М. Коля [7], О.Ю. Га-евского [3], Г.И. Дульнева [6], В.И. Шаповалова [12], М.Д. Рабиновича [8], Л.М. Стронского [11] и др. Вопросы повышения энергоэффективности использования фотопреобразователей путем применения фототермических модулей для одновременной выработки тепловой и электрической энергии решались в работах
В.А. Сафонова, Л.И. Кныш [9], Е.А. Бекирова [2] и др. В отдельных работах достаточное внимание уделялось исследованию гелиоводонагревательной установки горячего водоснабжения [14; 16]. Ни в одной из доступных для обзора работ не уделяется достаточного внимания исследованию автоматизации имеющихся параметров работы установки горячего водоснабжения и ее оптимизации.
Цель исследования заключается в разработке и оптимизации системы теплоснабжения для загородного дома, которая сочетает в себе возможности автоматического регулирования и прогнозирования теплоотдачи. На основе климатических параметров, времени суток и положения гелиопанелей задача состоит в формировании автоматизированной системы управления (АСУ), способной предугадывать потребности в тепле и адаптировать уровень теплоотдачи для минимизации энергопотребления и повышения энергоэффективности.
МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ
Система теплоснабжения загородного дома разрабатывается с учетом ключевых принципов автоматизации и прогнозирования. Перечислим основные методы, применяемые для решения задачи.
1. Использование прогнозной модели теплоотдачи.
• В основе системы прогнозирования лежит модель, которая учитывает показатели погоды (температуру, облачность, скорость ветра), дневной и ночной циклы, а также положение гелиопанелей относительно солнца. Эти данные позволяют АСУ регулировать подачу тепла и оптимизировать использование накопленной энергии.
• Прогнозное моделирование выполняется с помощью алгоритмов машинного обучения, которые анализируют историю погодных данных и предсказывают потребность в тепле в зависимости от времени года и специфики климата местности.
2. Аппаратное обеспечение для управления гелио-панелями.
• Гелиопанели оснащены датчиками и приводами, которые отслеживают положение солнца и изменяют ориентацию панелей для максимального поглощения солнечного излучения. В системе используется контроллер, который координирует работу датчиков и регулирует положения панелей.
• Насосы и баки-аккумуляторы также управляются через АСУ, что обеспечивает бесперебойную циркуляцию и хранение тепла. Работа насосов оптимизируется для предотвращения перегрузок и снижения энергозатрат.
3. Контроль параметров через датчики и контроллеры.
• В системе используется комплекс датчиков температуры, давления и уровня тепловой энергии, которые подключены к контроллеру для сбора и обработки данных. Контроллер регулирует уровень подаваемого тепла в зависимости от изменения температуры наружного воздуха, поддерживая постоянный микроклимат внутри здания.
• При чрезмерном снижении температуры или увеличении теплопотерь система включает дополнительные источники тепла, а также изменяет циркуляцию теплоносителя для быстрого восстановления температурного баланса.
4. Программное обеспечение для управления системой.
• Программный комплекс, встроенный в контроллеры АСУ, управляет системой в режиме реального времени, обрабатывая данные с датчиков и прогнозы моделей. Программа позволяет задавать настройки для работы системы на выходные дни, рабочие дни, ночное и дневное время.
• Используемые алгоритмы позволяют контролировать расход энергии, минимизируя затраты на отопление и оптимизируя работу в условиях переменной солнечной активности.
Эти методы обеспечивают полную автоматизацию работы системы теплоснабжения и позволяют существенно повысить эффективность использования солнечной энергии.
ГЕЛИОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
ДЛЯ ЗАГОРОДНОГО ДОМА
Предлагаемое техническое решение относится к гелиоводонагревательным установкам, которые осуществляют нагрев холодной воды солнечной энергией, преобразованной установками в теплоту.
Известна конструкция гелиоводонагревательной установки [1], которая содержит насос, плоский гели-околлектор и бак-аккумулятор горячей воды, который входом холодной воды подключен к водопроводу холодной воды, а к его выходу горячей воды подключены потребители горячей воды, при этом выход холодной воды бака-аккумулятора горячей воды через насос и плоский гелиоколлектор присоединен к его входу горячей воды.
Ближайшей к заявляемой конструкции гелиоводо-нагревательной установки является гелиоводонагрева-тельная установка, обладающая большей эффективностью работы [13]. Гелиоводонагревательная установка обладает высокой эффективностью работы из-за малых потерь теплоты в наружную среду вакуумным гелио-коллектором. К недостатку гелиоводонагревательной установки следует отнести снижение эффективности работы в осенний период года.
SYSTEM ANALYSIS, INFORMATION MANAGEMENT AND PROCESSING, STATISTICS
Технической задачей заявляемой полезной модели гелиоводонагревательной установки загородного дома является расширение ее функциональных возможностей. Поставленная техническая задача решается тем, что гелиоводонагревательная установка загородного дома, содержащая основной гелиоколлектор, насос и оборудованный электронагревателем бак-аккумулятор горячей воды, вход холодной воды которого подключен к водопроводу через насос - вход холодной воды основного гелиоколлектора, дополнительно оборудованная дополнительным гелиоколлектором и расположенным в ванной комнате водонагревательными полотенцесушителем и полом, при этом выход горячей воды основного гелиоколлектора через параллельно соединенный водонагреватель и полотенцесушитель, а также -аккумулятора горячей воды.
13 12
Рис. 1. Гелиоводонагревательная установка загородного дома (патент МПК F24J2/00, F24J2/38) Fig. 1. Solar water heating installation of a country house (Patent IPC F24J2/00, F24J2/38)
Гелиоводонагревательная установка загородного дома (рис. 1) содержит основной гелиоколлектор 1, насос 2 и оборудованный электронагревателем 3 бак-аккумулятор 4 горячей воды, вход 5 холодной воды которого подключен к водопроводу 6 холодной воды, к его выходам 7, 8 горячей и холодной воды которого воды и через насос 2 - вход 10 холодной воды основного гелиоколлектора 1. Для расширения функциональных возможностей установка дополнительно оборудована дополнительным гелиоколлектором 11 и расположенными в ванной комнате 12 на месте водонагреваемым полотенцесушителем. Гелиоколлектор 11 присоединен к входу горячей воды бака-аккумулятора 4.
Насос и оборудованный электронагревателем бак-аккумулятор горячей воды, вход холодной воды которого подключен к водопроводу холодной воды, к выходам горячей и холодной воды, отличающаяся тем, что дополнительно оборудована дополнительным гелиокол-лектором и расположенными в ванной комнате водоо-богреваемыми полотенцесушителем и полом, при этом выход горячей воды основного гелиоколлектора через параллельно соединенные водообогреваемые пол и по-лотенцесушитель, а также через дополнительный гели-околлектор присоединен к входу горячей воды.
АВТОМАТИЗАЦИЯ РАБОТЫ
ГЕЛИОВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
ЗАГОРОДНОГО ДОМА НА ОСНОВЕ
ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКТА SCADA
Автоматизированная система управления и диспетчеризации для предложенной модели гелиоводо-нагревательной установки загородного дома (АСУД ГВУ) предназначена для надзора за состоянием технологического оборудования индивидуальных тепловых пунктов и даст возможность:
• обеспечить службы автоматического управления актуальными и достоверными данными о работе оборудования;
• обеспечить оперативно-технологический контроль положения гелиосистем и текущее состояние оборудования;
• контролировать выход инструментальных и технологических параметров теплоотдачи гелиоводонагрева-тельной установки загородного дома;
• создать модули изменения параметров работы гели-оводонагревательной установки загородного дома для организации единой системы доступа к технологическим параметрам и состоянию работы оборудования.
Состав АСУД ГВУ
Автоматизированные системами управления индивидуальными тепловыми пунктами (ИТР) являются комплексными системами, имеющими два контура управления (положение гелиоустановок и температурами воды в системах тепловодоснабжения), исполнительные устройства с двигателями, регулирующие органы прямого воздействия, датчики температуры и давления.
АСУД ГВУ должна поддерживать температуру в трубах системами горячего водоснабжения в соответствующей температуре на улице с оптимизацией положения гелиопанелей для контроля эффективности использования наружного оборудования.
Система управления состоит из аппаратных элементов, которые интегрируются как датчики контроля для предложенной схемы гелиоводонагревательной установки загородного дома: контроллер «Climatix POL 638.70/DH» компании Siemens, модуль «M-Bus», модуль расширения, GSM/GPRS модема; датчиков температуры «МВТ 3260» и датчиков давления компании Danfoss; регулятора температуры теплоносителя «VRB» с электроприводом AMV компании Danfoss; регулятора температуры горячей воды VRB с электроприводом AME компании Danfoss. Для автоматической регуляции перепада давления используют регулируемый клапан прямого действия «VHG 519L50».
Вызов отдельных команд в АСУД ГВУ и переход между модулями осуществляется путем нажатия соответствующих кнопок системной панели управления. Из основного меню можно вызвать дополнительные страницы и окна (рис. 2).
1/1 l/> 1/> l/>
INJ l\J 1Л Ш 00 h-> vj 00
i i ID IVJ Ol l\J ID U)
w X О "а
■о о-
I
a; 00 Ь
■о
с §
« П>
а>
INJ О INJ ■Ci
Страница мониторинга и убавления гелиосистемой [Solar system monitoring and control page]
9
1 с
о
3 Q
Ï 3
о пГ
о 3-3
о о"
IQ
Мониторинг положения
гелиоколлекторов [Monitoring the position of solar collectors]
Настройка и контроль датчиков температуры и солнечной радиации [Setting up and monitoring
temperature and solar radiation sensors]
Главная страница [Home page]
Отображение схемы дома с коммуникациями [Display of the house scheme with communications]
Текущие показания температуры и состояния оборудования [Current temperature and equipment status readings]
Страница данных по теплоотдаче и прогнозам [Heat output data and forecasts page]
Информация по водяным контурам отопления и горячего водоснабжения (ГВС) [Information on water circuits for heating and hot water supply (HWS)]
Страница технологических сообщений и аварий [Technological messages and alarms page]
Показатели текущей теплоотдачи [Current heat transfer indicators]
Прогнозирование теплоотдачи на основе погодных условий и данных
о солнечной активности [Predicting heat output based on weather conditions and solar activity data]
Страница настройки
оборудования [Equipment setup page]
Уведомления о состоянии оборудования [Equipment status notifications]
Журнал технологических сообщений и аварийных ситуаций [Log of technological messages and emergency situations]
Страница системных сообщений [System messages page]
Настройка параметров
работы насоса и электронагревателя [Setting up the operating parameters of the pump and electric heater]
Страница видеомониторинга [Video monitoring page]
Системные уведомления об изменении параметров или отказах оборудования [System notifications about parameter changes or equipment failures]
Просмотр изображений
с камер для контроля состояния оборудования
[View images from cameras to monitor equipment status]
Параметры регулирования системы теплообмена [Heat exchange system control parameters]
Рис. 2. Схема структуры модулей АСУД ГВУ Fig. 2. The scheme of the structure of the modules of the ACDS SWHI
g
S О 00
S
О g
rn
S g
о-g
ïo
S 2 ï о
oo §
Ь ia ïo
£
3
■o
S
a: о
3 ь о
Ю
SYSTEM ANALYSIS, INFORMATION MANAGEMENT AND PROCESSING, STATISTICS
Дерево функций контроля в меню включает:
• строку мониторинга и управления оборудованием ГВУ с дополнительными окнами настроек частных электроприводов положения гелиопанелей;
• позицию сводных поточных данных по типу контроллеров КПД гелиопанелей;
• окна мониторинга и управления оборудованием индивидуального пункта с контуром горячего водоснабжения.
Для запуска системы необходимо дважды нажать левой кнопкой мыши на пиктограмму SCADA. После запуска программы этой же процедурой следует выполнить на клиентской части диспетчерской АСУ.
Сервер SCADA [Server SCADA]
Датчики положения панелей [Panel position sensors]
- Электросчетчик генерации [Electricity generation meter]
Рис. 3. Поля отображения уведомлений и состояния коммуникаций сетевого оборудования ГВУ
Fig. 3. Fields for displaying alarms and the status of communications of the HLG network equipment
В соответствующих полях ГВУ отображаются накапливаемые значения рабочих параметров (V), а также мгновенные значения. Для автоматизированной системы управления и диспетчеризации гелиоводонаг-ревательной установки (АСУД ГВУ) можно предусмотреть следующие ключевые параметры, которые будут контролироваться датчиками (рис. 3).
1. Температура воды в накопительном баке (Vx). Контроль температуры воды, поддерживаемой в баке, для обеспечения стабильного горячего водо снабжения.
2. Температура в контуре теплообмена (V2). Измерение температуры воды на входе и выходе контура теплообмена для оценки эффективности нагрева и определения необходимости включения резервного источника тепла (например, электронагревателя).
3. Инсоляция или солнечная радиация (V3). Измерение уровня солнечной радиации для определения мощности, с которой работает гелиопанель, и прогнозирования теплоотдачи.
4. Уровень потребления электроэнергии вспомогательным оборудованием (У4). Контроль потребления электроэнергии насосами, системой управления и электронагревателем для оптимизации расхода ресурсов и снижения затрат.
5. Положение гелиопанелей (угол наклона и поворота) (У5). Контроль положения панелей для обеспечения максимального уровня солнечной радиации. Данные помогают системе управлять автоматическим приводом для ориентации панелей под оптимальным углом к солнцу.
6. Уровень воды в системе (У6). Измерение уровня воды в накопительном баке и контурах, что позволяет оперативно реагировать на возможные утечки, недостаток воды или переполнение бака, предотвращая аварийные ситуации.
Эти параметры обеспечат полноценный контроль работы гелиоводонагревательной установки, позволяя системе эффективно управлять нагревом, потреблением ресурсов и предупреждать аварийные ситуации. Кроме того, для проведения движения коллектора солнечной энергии выполняют формирование и занесение в память данных о времени восхода и заката ежедневно. При накоплении энергии от коллектора солнечной энергии проводят шаг за шагом его ориентировку путем дискретного перемещения коллектора солнечной энергии как по азимуту, так и по углу подъема относительно горизонта в заданные временные моменты [15: 1810]. В предложенной модели задают для дискретного перемещения коллектора солнечной энергии по азимуту временные моменты с дискретностью от 1 минуты и более, а временные моменты для дискретного перемещения коллектора солнечной энергии по углу подъема относительно горизонта с дискретностью от 1 часа и более. Приводы, используемые в способе, а также техническое оборудование установки питают либо от коллектора солнечной энергии или аккумулятора. После захода солнца выполняют возврат коллектора солнечной энергии в начальное стартовое положение по азимуту каждые сутки.
Благодаря формированию и занесению в память данных о времени восхода и заката можно определить количество дискретных команд, необходимых для передвижения коллектора солнечной энергии в течение дня, а также определить количество дискретных команд (временных моментов) на перемещение коллектора 1 (см. рис. 1) солнечной энергии в исходное стартовое положение после захода солнца на основе получения из памяти значения продолжительности дня или ночи (рис. 4).
На рис. 4а показаны дискретные временные моменты 3 перемещения коллектора 1 (см. рис. 1) солнечной энергии, когда он воспринимает солнечную энергию. В то же время на дуге затемненного сектора 4 дискретные моменты 3 передвижения коллектора 1 солнечной энергии возможно выполнять как с большей, так и такой же скоростью, что и используется во время дня, поскольку коллектор 1 солнечной энергии одинаково придет в начальную стартовую точку 11 до появления солнца.
Рис. 4. Траектории движения возвращения коллектора в исходное состояние:
1 - проекция траектории движения коллектора солнечной энергии в день;
2 - проекция траектории движения коллектора солнечной энергии ночью;
3 - временные моменты для дискретного перемещения коллектора солнечной энергии по азимуту; 4 - проекция сектора солнечного затемнения ночью; 5 - проекция сектора солнечного освещения, соответствующего дню; 6 - проекция центра оси вращения коллектора солнечной энергии; 7 - стрелка направления движения за солнцем коллектора солнечной энергии; 8 - стрелка направления движения в начальное стартовое положение по азимуту каждые сутки коллектора солнечной энергии; 9 - проекция оси «юг-север»; 10 - проекция азимутального перемещения коллектора солнечной энергии в день или
ночью; 11- начальное стартовое положение
Fig. 4. Trajectories of the collector return to its original state:
1 - projection of the trajectory of the solar energy collector movement during the day; 2 - projection of the trajectory of the solar energy collector movement at night; 3 - time moments for discrete movement of the solar energy collector along azimuth; 4 - projection of the solar occultation sector at night; 5 - projection of the solar illumination sector corresponding to the day; 6 - projection of the center of the rotation axis of the solar energy collector; 7 - arrow of the direction of movement of the solar energy collector behind the sun; 8 - arrow of the direction of movement to the initial starting position along azimuth every day of the solar energy collector; 9 - projection of the "South-North" axis; 10 - projection of the azimuthal movement of the solar energy collector during the day or at night;
11 - initial starting position
В дискретные временные моменты 3 солнечный коллектор передвигается на показанный дуговой интервал 10 благодаря заданной амплитуде и длительности импульса, который является достаточным по энергии, чтобы переместить коллектор 1 солнечной энергии на дуговой интервал 10. Направления перемещения коллектора солнечной энергии показаны дугами 7, а направления перемещения коллектора 1 солнечной энергии ночью, когда коллектор не выполняет сбор солнечной энергии, показаны стрелками 8. На рис. 4b отображено движение коллектора 1 солнечной энергии в зимнее время, когда день имеет незначительную продолжительность (например, 22 декабря продолжительность дня составляет 8 часов), а ночь - наоборот большую продолжительность (16 часов). Поэтому обычно можно двигать коллектор 1 солнечной энергии как на рисунке 4а по кругу, но затраты на движение коллектора 1 солнечной энергии в этом случае ночью будут большими, в два раза больше, чем при применении инверсного движения по стрелке 8 (см. рис. 4b) в начальное стартовое положение 11. Конечно, не все конструкции коллекторов солнечной энергии позволяют полнокруговое движение, поэтому выбор закона движения коллектора солнечной энергии определяется конструкцией коллектора 1 солнечной энергии и видом получаемой энергии, как правило, полноколесное движение коллектора солнечной энергии проще всего
выполнить с плоскими коллекторами солнечной энергии, особенно если от них получают электрическую, а не тепловую энергию.
Рассмотренное азимутальное движение коллектора солнечной энергии обычно требует высокоточных АСУ, способных иметь незначительную погрешность на достаточно больших временных интервалах, например, когда относительная нестабильность опорного генератора часов будет соответствовать 10"8, что вполне реально при применении высокостабильных кварцевых генераторов. В противном случае возникает потребность подстройки частоты опорного генератора часов [17].
Для определения дискретных временных моментов передвижения коллектора солнечной энергии можно использовать узел, который будет сравнивать текущее время часов и записанные, и считанные из неразруша-ющей памяти значения дискретных временных моментов выполнения такой операции.
Расчет углов падения солнечных лучей на панель и формирование ответных сигналов управления шаговым двигателем обеспечивается вводом в схему управления специализированного микроконтроллера: драйвера LMD 18245. Усилитель мощности LMD 18245 с полным мостом включает в себя все схемные блоки, необходимые для возбуждения и регулировки тока в двигателе постоянного тока щеточного типа или в одной фазе биполярного шагового двигателя.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для проверки эффективности работы АСУД ГВУ с использованием запатентованной модели гелиоводо-нагревательной установки и предложенной в данной работе системы оптимизации управления с датчиками контроля параметров системы и положения солнечных панелей был проведен эксперимент. Для сравнения системы выбраны решения Н.А. Шониной и Р.Р. Аве-зова, описанные ранее в данном исследовании. В течение эксперимента измерялась температура теплоносителя в трех точках бака-накопителя, расположенных по вертикали на одинаковом расстоянии друг от друга, температура теплоносителя на входе в гелиоустрой-ство и температура теплоносителя на выходе из ге-лиоустройства. При этом обеспечивали отсутствие факторов, которые могут негативно влиять на чистоту эксперимента: затенение абсорбера, изменение скорости движения теплоносителя, потери теплоты (обеспечивали теплоизоляцию трубопроводов и бака-аккумулятора) и т.д.
Скорость движения теплоносителя в контуре циркуляции составляла V = 0,2 л/мин. Исследование проводилось при интенсивности солнечного излучения 390-410 Вт/м2. Скорость ветра составляла 3,8-4,2 м/с (средняя скорость ветра - 4,0 м/с). Угол наклона абсорберов N и N2 - 50,4°. Период проведения исследований - сентябрь, октябрь с 12 до 14 часов дня.
Энергоэффективность использования гелиоу-стройств, характеризующаяся значением коэффициента полезного действия, определялась по формуле:
кт = 3,66 ^ = 3,66 0612 = 560 (Вт/м2)К, т dB 0,004
где Ав - коэффициент теплопроводности воды.
Энергоэффективность АСУ определялась по формуле
Qa
n
гс . 100%,
гс I
где Qск - удельная мгновенная тепловая мощность ге-лиоприбора, Вт/м2;
1в - интенсивность излучения на лучеприемной поверхности абсорбера гелиопустройства, Вт/м2. Мгновенная удельная тепловая мощность гелио-устройства определялась зависимостью:
=
Gc (Tout - Tin )
Г , Гср^ - средние температуры теплоносителя в баке, К.
Q = Г I Д^
^пром ск в '
F - площадь светоприемной поверхности гелио-
ск 2
устройства, м ;
1в - интенсивность излучаемого источника на светоприемной поверхности гелиоустройства, Вт/м2; Дt - промежуток времени, с.
Аналогично определялась эффективность всей системы горячего водоснабжения от гелиоустановки Пссш по количеству энергии, полученной баком-накопителем:
где Q
отр
где G - удельный расход теплоносителя, кг/м2; с - удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг • К);
Г , Тп - температуры теплоносителя на входе и выходе гелиоустройства, К; Гск - площадь гелиопустройства, м2. Поскольку коэффициент полезного действия гели-оустройства не учитывает теплопотери через трубопроводы, бак-накопитель и другие факторы, поэтому целесообразно проанализировать его по количеству теплоты, накопленному в баке в течение эксперимента
Q = ст(Г - Г ),
^отр 4 ср1 ср27'
где т - масса теплоносителя, кг;
п = (Q /Q )100%,
1ссш ч^отр ^пром'' '
- количество теплоты, полученной баком-накопителем за промежуток времени Дt; ^^пром - количество лучевой теплоты, поступившее на лучепринимающую поверхность гелиоустрой-ства за тот же промежуток времени Д^ Результаты экспериментальных исследований энергоэффективности использования гелиоустройств представлены в табл. 1-3.
В результате экспериментальных исследований была обоснована эффективность использования гелиоустройств с использованием АСУД ГВУ, поскольку их КПД имеют достаточно высокие показатели. КПД для предложенной системы составляет 54,65%, для образца № 2 - 64,58%, для образца № 1 - 49,7%. Поэтому для подтверждения эффективности системы в качестве примера приведем сравнительный расчетный анализ параметров гелиоснабжения на примере системы АСУД ГВУ загородного дома расчета функционирования системы ГВС 7 дней в неделю в течение года для трех типов гелиоустройств для условий.
Таблица 1
Результаты экспериментальных исследований энергоэффективности образца № 1 (Н.А. Шониной) [Results of experimental studies of energy efficiency of sample No. 1 (N.A. Shonina)]
№ Время облучения t, мин [Irradiation time t, min] Количество лучевой энергии, поступившей на гелиопанель Qnp, кДж/м2 [Amount of radiant energy received by the solar panel, kJ/m2] Количество теплоты на выходе с гелиопанели Оы* кДж/м2 [Amount of heat output from the solar panel, kJ/m2] Количество теплоты накопленной баком Оы* кДж/М2 [Amount of heat accumulated by the tank, kJ/m2] Ко эффициент полезного действия, % [Efficiency, %]
Гелиопанель [Solar panel] Гелиосистемы ГВС [Solar hot water supply systems]
1 30 685 370,59 358,26 54,10 52,30
2 60 1370 704,87 680,21 51,45 49,65
3 90 2055 1058,33 1021,34 51,50 49,70
4 120 2793 1437,28 1387,00 51,46 49,66
S 150 3424 1762,68 1701,04 51,48 49,68
Среднее значение КПД [Average value of efficiency factor, %] 51,47 49,67
Рыбак В.А., Римарев И.М.
Таблица 2
Результаты экспериментальных исследований энергоэффективности образца № 2 (Р.Р. Авезова) [Results of experimental studies of energy efficiency of sample No. 2 (R.R. Avezova)]
№ Время облучения t, мин [Irradiation time t, min] Количество лучевой энергии, поступившей на гелиопанель Qnp, кДж/м2 [Amount of radiant energy received by the solar panel, kJ/m2] Количество теплоты на выходе с гелиопанели Свы^ кДж/м2 [Amount of heat output from the solar panel, kJ/m2] Количество теплоты накопленной баком Свых' кДж/м2 [Amount of heat accumulated by the tank, kJ/m2] Ко эффициент полезного действия, % [Efficiency, %]
Гелиопанель [Solar panel] Гелиосистемы ГВС [Solar hot water supply systems]
l 30 717 403,67 390,77 5б,30 54,50
2 60 1435 952,84 927,01 бб,40 64,60
3 90 2152 1427,85 1389,12 бб,35 64,55
4 120 2870 1905,68 1854,02 бб,40 64,60
S 150 3587 2380,33 2315,77 бб,3б 64,56
Среднее значение КПД [Average value of efficiency factor, %] бб,38 64,58
Таблица 3
Результаты экспериментальных исследований образца № 3 патентной гелиосистемы
при использовании АСУД ГВУ [The results of experimental studies of sample No. 3 of the patent solar system using the ACDS SWHI]
№ Время облучения t, мин [Irradiation time t, min] Количество лучевой энергии, поступившей на гелиопанель Qnp, кДж/м2 [Amount of radiant energy received by the solar panel, kJ/m2] Количество теплоты на выходе с гелиопанели Свь^ кДж/м2 [Amount of heat output from the solar panel, kJ/m2] Количество теплоты накопленной баком Свь^ кДж/м2 [Amount of heat accumulated by the tank, kJ/m2] Коэффициент полезного действия, % [Efficiency, %]
Гелиопанель [Solar panel] Гелиосистемы ГВС [Solar hot water supply systems]
l 60 1370 773,37 748,71 5б,45 54,65
2 90 2055 1161,08 1124,09 5б,50 54,70
3 120 2793 1575,25 1524,98 56,4O 54,60
Среднее значение КПД для стабилизированного режима работы, % [Average efficiency value for stabilized operating mode, %] 5б,45 54,65
В табл. 4 приведены погодные данные проектной точки на примере города Курска, а в табл. 5 - расчетные данные эффективности использования гелиоустройств для гелиосистем горячего водоснабжения.
Как видно из табл. 5, необходимое для системы ГВС загородного дома гелиоэнергетическое оборудование стоит:
• N^ - коллекторы Sint Solar в системе Н.А. Шони-ной - 35 000 руб./м2;
• N^ - коллекторы солнечной энергии Р.Р. Авезова с абсорбером - 14 600 руб./м2;
• N3ct - предложенная модель - 9600 руб./м2.
Таким образом, предложенная модель является экономичным гелиоэнергетическим устройством для горячего водоснабжения.
Отметим, что для создания конструкции энергоэффективного здания, которое позволило бы наряду с высокой тепловой эффективностью обеспечить для гелиосистемы ГВС минимальную себестоимость полученной тепловой энергии, необходимо использование новых недорогих композиционных материалов, упрощение технологии изготовления, монтажа и эксплуатации.
Таблица 4
Погодные данные проектной точки [Weather data of the project point]
Размещение объекта [Object placement] Единицы измерения [Units of measurement] Значение [Value]
Широта проектной точки [Latitude of the design point] град. [degree] 50,4
Угол наклона гелиоустройства [Angle of inclination of solar device] град. [degree] 50,4-90
Данные по месяцам [Data by month]
Месяц [Month] Среднее дневное солнечное излучение, кВт • ч/м2/день [Average daily solar radiation, kWt • h/m2/day] Среднемесячная температура воздуха, °С [Average monthly air temperature, °С] Средняя влажность воздуха, % [Average air humidity, %] Средняя скорость ветра, м/с [Average wind speed, m/s] Среднемесячное солнечное излучение на площадь абсорбера, кВт • ч/м2/день [Average monthly solar radiation per absorber area, kWt • h/m2/day]
Тип гелиоустройства [Type of solar device]
№ 1 № 2 № 3 (разработка автора) [No. 3 (author's development)]
Январь [January] 0,79 -5,6 87,0 4,3 1,62 1,62 1,96
Февраль [February] 1,27 -4,2 84,0 4,5 2,01 2,01 2,42
Март [March] 2,56 0,7 79,0 4,3 3,28 3,28 3,77
Апрель [April] 3,21 8,7 69,0 4,3 3,24 3,24 3,32
Май [May] 4,98 15,1 63,0 3,8 4,49 4,49 3,90
Июнь [June] 5,44 18,2 65,0 3,7 4,61 4,61 3,51
Июль [July] 5,70 19,3 67,0 3,5 4,97 4,97 3,34
Август [August] 4,62 18,6 78,0 3,5 4,54 4,54 3,15
Сентябрь [September] 3,04 15,9 78,0 3,7 3,57 3,57 3,20
Октябрь [October] 1,80 8,1 80,0 3,9 2,74 2,74 2,43
Ноябрь [November] 0,73 2,1 86,0 4,3 1,46 1,46 1,51
Декабрь [December] 0,50 -2,3 88,0 4,2 1,28 1,28 1,57
Суммарное значение за год [Total value for the year] 37,81 37,81 34,08
ВЫВОДЫ
Разработанная схема водоснабжения для загородного дома демонстрирует высокую эффективность в управлении потреблением энергии и обеспечивает надежное теплоснабжение. Внедрение автоматизированной системы управления (АСУ), включающей прогнозирование теплоотдачи, позволяет системе адаптироваться к изменяющимся внешним условиям, таким как климат, время суток и положение гелиопане-лей. Данная технология способствует значительному снижению затрат на энергию и оптимизации работы в условиях переменной солнечной активности.
Сравнительный анализ со схожими системами гелиоводоснабжения показывает, что предложенная система обладает рядом преимуществ. Основное отличие заключается в интеграции прогнозного моделирования, основанного на климатических данных и алгоритмах машинного обучения, что позволяет АСУ точно регулировать теплоотдачу и использовать накопленную солнечную энергию с максимальной эффективностью. В отличие от стандартных подходов, данная система активно прогнозирует и адаптирует свои параметры, снижая потребление энергии и увеличивая долю возобновляемых источников в общем энергобалансе.
Рыбак В.А., Римарев И.М.
Таблица 5
Эффективность использования гелиоустройств для гелиосистем горячего водоснабжения
с использованием АСУД ГВУ [Efficiency of the use of solar devices for solar hot water supply systems using ACDS SWHI]
Размещение объекта [Object placement] Единицы измерения [Units of measurement] Значение [Value]
Широта проектной точки [Latitude of the design point] град. [degree] 50,4
Угол наклона абсорбера [Angle of the absorber] град. [degree] 50,4-90
Погодные данные проектной точки [Weather data of the design point]
Солнечная радиация на горизонтальной поверхности [Solar radiation on a horizontal surface] МВт • ч/м2 [MWt • h/m2] 1,06
Средняя температура воздуха [Average air temperature] °С 7,7
Средняя скорость ветра [Average wind speed] м/с [m/s] 4,0
Параметры горячего водоснабжения [Hot water supply parameters]
Необходимое количество горячей воды [Required amount of hot water] л/сут [l/day] 1100
Желательная температура горячей воды [Desired temperature of hot water] °С 50
Использование системы в неделю [System usage per week] сутки [day] 7
Использование системы в год [System usage per year] месяц [month] 12
Использование системы в месяц [System usage per month] % 100
Температура горячей воды на входе в систему [Hot water temperature at the system inlet]: минимальная [minimum] максимальная [maximum] °С 5,0 15,0
Необходимое количество энергии [Required amount of energy] МВт • год [MWt • year] 17,0
Необходимая площадь абсорбера при оптимальном количестве устройств (площадь единицы устройства) [Required absorber area with optimal number of devices (area of a unit device)]: N^ - 7 шт. (1,88 м2/шт.) [N1m - 7 pcs. (1,88 m2/pcs.)] N^ - 24 шт. (0,65 м2/шт.) [N2g - 24 pcs. (0,65 m2/pcs.)] N3ct. [N3st] м2 [m2] 13,20 15,65 20,00
Угол наклона абсорбера [Absorber tilt angle]: N^ и N^ [N1m & N2g] N3ct [N3st] град. [degree] 50,4 90,0
Покрытие солнечной энергией от годовой потребности теплоты [Solar energy coverage from annual heat demand] % 47,1
Количество солнечной энергии, поглощенной абсорбером [Amount of solar energy absorbed by the absorber] МВт • год [MWt • year] 8,0
Стоимость солнечных коллекторов и солнечной панели [Cost of solar collectors and solar panel]: N^ (7 шт.) [N1m (7 pcs.)] ^г [N2g] N3ct [N3st] руб. [rubles] 35 000 14 600 9600
Контроль положения гелиопанелей и использование датчиков температуры, давления и уровня тепловой энергии позволяет поддерживать оптимальный микроклимат внутри здания. Работу насосов и баков-аккумуляторов регулирует АСУ, предотвращая
перегрузки и минимизируя энергозатраты. Подобные возможности автоматизации делают систему водоснабжения устойчивой и энергоэффективной, особенно в условиях низких температур и высокой солнечной активности.
Таким образом, представленный подход к водоснабжению с использованием гелиопанелей и АСУ демонстрирует преимущества с точки зрения энергоэффективности, адаптивности к внешним условиям и комфорта для пользователей. Дальнейшие исследования и усовер-
Литература
1. Авезов Р.Р. Системы солнечного тепло-хладоснабжения / под ред. Э.В. Сарницкого, С.А. Чистовета. М.: Стройи-здат, 1990. С. 71-80.
2. Бекиров Е.А., Гаевский А.Ю., Кувшинов В.В. Фототермические модули для одновременной выработки тепловой и электрической энергии // Вестник новых технологий.
2017. № 1. С. 33-40.
3. Гаевский А.Ю., Петров И.В. Автоматизация параметров солнечных водонагревательных систем // Вестник инженерных наук. 2021. № 2. С. 19-24.
4. Гаевский О.Ю., Мхитарян Н.М. Исследование полимерных солнечных коллекторов для водонагревательных систем // Вестник инженерных наук. 2015. № 3. С. 45-52.
5. Даффи Дж.А., Бекман У А. Солнечные энергетические системы: теория и практика. М.: Энергоатомиздат, 2003. 456 с.
6. Дульнев Г.И. Теплообмен в солнечных коллекторах. М.: Энергоатомиздат, 1999. 238 с.
7. Коль М. Солнечные коллекторы. Принципы и технологии. СПб.: Питер, 2008. 320 с.
8. Рабинович М.Д. Композиционные материалы в солнечных энергетических системах. М.: Наука, 2010. 198 с.
9. Сафонов В.А., Кныш Л.И. Повышение эффективности фотоэлектрических преобразователей с помощью фототермических модулей // Солнечная энергетика. 2020. № 4. С. 12-18.
10. Сидоров А.Н., Бекиров Е.А. Исследование гелиоводонаг-ревательных систем горячего водоснабжения // Теплотехника. 2019. № 3. С. 25-31.
11. Стронский Л.М. Современные материалы для солнечных коллекторов: композиты и полимеры // Журнал прикладной физики. 2019. № 5. С. 67-73.
12. Шаповалов В.И., Пуховой И.И., Хотин С.Ю. Применение композитных материалов в солнечных коллекторах для повышения энергоэффективности // Энергосбережение.
2018. № 2. С. 22-30.
13. Шонина Н.А. Системы подогрева воды в системе горячего водоснабжения при помощи солнечной энергии // Сантехника. 2015. № 3.
14. Fadzlin W., Hasanuzzaman M., Rahim N. et al. Global challenges of current building-integrated solar water heating technologies and its prospects: A comprehensive review // Energies. 2022. DOI: 10.3390/en15145125.
15. Londono-Hurtado A., Meyers B., Apostolaki E., Flotte-mesch R. Estimation of photovoltaic system location and orientation from power signals // IEEE 48th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). 2021. С. 1807-1812. DOI: 10.1109/PVSC43889.2021.9518783.
16. Pinamonti M., Beausoleil-Morrison I., Prada A., Bag-gio P. Water-to-water heat pump integration in a solar seasonal storage system for space heating and domestic hot water production of a single-family house in a cold climate // Solar Energy. 2021. Vol. 213. Pp. 300-311. DOI: 10.1016/j. solener.2020.11.052.
17. Shi H., Xu Y., Ding B. et al. Long-term solar power time-series data generation method based on generative adversarial networks and sunrise-sunset time correction // Sustainability. 2023. DOI: 10.3390/su152014920.
шенствования данной технологии могут быть направлены на оптимизацию программного обеспечения, повышение долговечности оборудования и внедрение более продвинутых алгоритмов для прогнозирования погодных условий и управления системой в реальном времени.
References
1. Avezov R.R. Solar heating and cooling systems. E.V. Sar-nitsky, S.A. Chistovet (eds.). Moscow: Stroyizdat, 1990. Pp. 71-80.
2. Bekirov E.A., Gaevsky A.Yu., Kuvshinov V.V. Photothermal modules for simultaneous generation of thermal and electrical energy. Bulletin of New Technologies. 2017. No. 1. Pp. 33-40. (In Rus.)
3. Gaevsky A.Yu., Petrov I.V. Automation of parameters of solar water heating systems. Bulletin of Engineering Sciences. 2021. No. 2. Pp. 19-24. (In Rus.)
4. Gaevsky O.Yu., Mkhitaryan N.M. Study of polymer solar collectors for water heating systems. Bulletin of Engineering Sciences. 2021. No. 2. Pp. 19-24. (In Rus.)
5. Duffy J.A., Beckman W.A. Solar energy systems: Theory and practice. Moscow: Energoatomizdat, 2003. 456 p.
6. Dulnev G.I. Heat exchange in solar collectors. Moscow: Energoatomizdat, 1999. 238 p.
7. Kohl M. Solar collectors. Principles and technologies. St. Petersburg: Piter, 2008. 320 p.
8. Rabinovich M.D. Composite materials in solar energy systems. Moscow: Nauka, 2010. 198 p.
9. Safonov V.A., Knysh L.I. Increasing the efficiency of photovoltaic converters using photothermal modules. Solar Energy. 2020. No. 4. Pp. 12-18. (In Rus.)
10. Sidorov A.N., Bekirov E.A. Study of solar water heating systems for hot water supply. Heat Engineering. 2019. No. 3. Pp. 25-31. (In Rus.)
11. Stronsky L.M. Modern materials for solar collectors: Composites and polymers. Journal of Applied Physics. 2019. No. 5. Pp. 67-73. (In Rus.)
12. Shapovalov V.I., Pukhovoy I.I., Khotin S.Yu. Application of composite materials in solar collectors to improve energy efficiency. Energy Saving. 2018. No. 2. Pp. 22-30. (In Rus.)
13. Shonina N.A. Water heating systems in the hot water supply system using solar energy. Plumbing. 2015. No. 3. (In Rus.)
14. Fadzlin W., Hasanuzzaman M., Rahim N. et al. Global challenges of current building-integrated solar water heating technologies and its prospects: A comprehensive review. Energies. 2022. DOI: 10.3390/en15145125.
15. Londono-Hurtado A., Meyers B., Apostolaki E., Flotte-mesch R. Estimation of photovoltaic system location and orientation from power signals. In: IEEE 48th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). 2021. С. 1807-1812. DOI: 10.1109/PVSC43889.2021.9518783.
16. Pinamonti M., Beausoleil-Morrison I., Prada A., Bag-gio P. Water-to-water heat pump integration in a solar seasonal storage system for space heating and domestic hot water production of a single-family house in a cold climate. Solar Energy. 2021. Vol. 213. Pp. 300-311. DOI: 10.1016/j.sole-ner.2020.11.052.
17. Shi H., Xu Y., Ding B. et al. Long-term solar power time-series data generation method based on generative adversarial networks and sunrise-sunset time correction. Sustainability. 2023. DOI: 10.3390/su152014920.
Рыбак В.А., Римарев И.М.
Статья проверена программой Антиплагиат. Оригинальность - 86,61%
Рецензент: НавроцкийА.А., кандидат физико-математических наук, доцент; заведующий кафедрой информационных технологий автоматизированных систем; Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Статья поступила в редакцию 17.11.2024, принята к публикации 09.12.2024 The article was received on 17.11.2024, accepted for publication 09.12.2024
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Рыбак Виктор Александрович, кандидат технических наук, доцент; проректор по учебной работе; Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники; г. Минск, Республика Беларусь. ORCID: 0000-0002-9585-2614; SPIN-код: 9413-7880; E-mail: [email protected]
Римарев Игорь Михайлович, аспирант; Белорусская государственная академия связи, г. Минск, Республика Беларусь. ORCID: 0009-0001-9787-8084
ABOUT THE AUTHORS
Viktor A. Rybak, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor; vice-rector for academic affairs; Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics; Minsk, Republic of Belarus. ORCID: 0000-0002-9585-2614; SPIN-code: 9413-7880; E-mail: [email protected] Igor M. Rimarev, postgraduate student; Belarusian State Academy of Telecommunications; Minsk, Republic of Belarus. ORCID: 0009-0001-9787-8084
