مطالعه تجربی و محاسباتی برای سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

چکیده

معرفی انرژی های تجدید پذیر، به ویژه استفاده از انرژی خورشیدی یکی از استراتژی های کارآمد برای بهبود کارآیی انرژی است. هدف از این مقاله این است برای طیف کارایی سیستم از کلکتور خورشیدی همراه با گاز محور جانبی بویلر برای تامین آب و گرمایش از کف سیستم های داخلی تایید نتایج شبیه سازی بر اساس TRNSYS 17 برای اولین بار نتایج اندازه گیری شده و به خوبی تایید شده است، انجام شد. یکی دیگر از اهداف این مقاله برای بهینه سازی استفاده از انرژی خورشیدی است. در سیستم ترکیبی، سه گزینه با استفاده از انرژی خورشیدی در نظر گرفته شده است، که عبارتند از سیستم گرمایش از کف، سیستم آب داخلی برای تامین آن. از سوی دیگر، بهره وری از بویلر و گاز خارج شده از آن، درجه حرارت آب ورودی، نیز تاثیر متفاوتی روی عملکرد سیستم می گذارد، و در نتیجه مصرف انرژی اولیه و کنترل سیستم بستگی به چند عنصر دارد، از جمله وضعیت آب و هوا، برنامه آب خانگی، بازگشت درجه حرارت آب از گرمایش از کف و درجه حرارت آب در مخزن برای ذخیره سازی گرما. کل مصرف انرژی اولیه به عنوان شاخص برای ارزیابی عملکرد کل سیستم است

مقدمه

صحبت از بهره وری انرژی، معرفی انرژی خورشیدی است که همیشه به عنوان اولین گزینه، مورد استفاده در سیستم های آب خانگی است .اخیرا سیستم گرمایش کف و سیستم آب خانگی نیاز به آب گرم است که می تواند تا حدودی استفاده از انرژی خورشیدی را مورد استفاده قرار داد و آب گرم تولید شده را در مخازن ذخیره و مورد استفاده قرار داد در این مقاله ما می خواهیم به بررسی این موارد بپردازیم.
با معرفی انرژی خورشیدی این که چگونه انرژی اولیه عنوان شاخص ارزیابی مورد توجه قرار گیرد به تصویب رسید در این مقاله، شبیه سازی پویا (ver.17 TRNSYS) مورد استفاده برای انرژی خورشیدی تحت شرایط استاندارد زمستان. نتایج شبیه سازی شد و مورد بررسی قرار گرفت
معمولا برنامه از سیستم گرمایش کف، تقاضا آب خانگی، ضریب دیگ بخار است که توسط ورودی درجه حرارت آب، حجم و عایق مخزن تعیین می کند، به عنوان عواملی که مقدار انرژی اولیه را تحت تاثیر قرار در نظر گرفته شده است .دو سیستم عمومی مورد بحث قرار گرفته، یکی از انرژی خورشیدی استفاده شده برای سیستم گرمایش کف و دیگری آب بازگشتی از سیستم گرمایش کف به مخزن و همچنین انرژی خورشیدی با هدف بهبود ضریب دیگ بخار.

توصیف سیستم

دو سیستم اصلی در این مقاله مورد بحث است. اولین سیستم این است که معمولا در طراحی خانه با استفاده از انرژی خورشید به تصویب رسید، به شکل (1) نگاه کنید. در زمان های که سیستم گرمایش کف در حال کار است، انرژی خورشیدی جمع آوری شده همیشه به گرمایش از کف می رسد این روند تا زمانی ادامه دارد که درجه حرارت متوسط از کلکتور خورشیدی بالاتر از سیستم گرمایش برسد. شکل (1) هنگامی که گرمایش از کف خاموش شد، حرارت خورشیدی به آب سرد داده شده و آب درون مخزن را گرم و سپس برای استفاده از آب ذخیره شده سیستم 2 به عنوان یک راه جدید با هدف بهبود ضریب دیگ بخار ارائه شده است .دیگ بخار گاز در هر دو سیستم 1 و 2 ، ضریب است که به عنوان (1) معادله تعریف استفاده می شود. ارتباط بین درجه حرارت متوسط حرارت ورودی Ti و ضریب دیگ بخار C توسط آزمایش در شرایط مختلف به دست آمده.
از معادله(1)، آن است که شناخته شده است که دمای ورودی کم منجر به ضریب دیگ بخار بالا و در نتیجه تقاضای انرژی اولیه را می توان کاهش می یابد. با این حال، دمای آب برگشتی از سیستم، گرمایش است که گاهی اوقات در سطح بسیار بالا است. در سیستم 2 آب بازگشت از سیستم گرمایش اول گرم آب سرد در مخزن تحت شرایط است که درجه حرارت بالاتر از آب مخزن است.
پس از مبدل های حرارتی با آب مخزن، بازگشت آب به سطح دمای پایین در نتیجه ضریب دیگ بخار بالاتر را می توان به دست آمده است. در این مورد، انرژی خورشیدی است که تنها در مخزن آب ذخیره می شود و مورد استفاده برای ذخیره آب، داخلی در هر دو سیستم 1 و2، زمانی که دمای آب گرم از مخزن بالاتر از دمای تولیدی است، مخزن آب را با آب سرد مخلوط برای مطابقت با دمای از پیش تعیین شده می کند. هنگامی که درجه حرارت مخزن آب کم است، گرمای مورد نیاز را از انرژی خورشیدی تامین خواهد کرد تا گرم شود و به دمای مورد نیاز یا تعیین شده توسط دیگ بخار 2 برسد مجموع دریافت انرژی از دیگ بخار 1 (سیستم گرمایش کف) و دیگ بخار 2 (آب خانگی) به عنوان دریافت انرژی سیستم در نظر گرفته شده. پایین تر از این مقدار است، بیشتر انرژی مصرفی از انرژی تولیدی سیستم است.

شبیه سازی ساخت
مدل شبیه سازی

شکل2. نشان می دهد که مدل 3D و طرح زمین از کف 1 از یک خانه مسکونی استاندارد تعریف شده توسط IBEC است. مدل استاندارد دارای دو طبقه با مساحت 120 متر مربع واقع در توکیو، ژاپن. سیستم گرمایش کف و زیرزمینی است که تنها در اتاق نشیمن است که در حدود 70 ٪ تعبیه شده است. که به خوبی با ضریب از دست دادن حرارت کم W/m2.K 2.7 عایق شده است.
مقدار U از تمام در و دیوار خارجی به عنوان 0.383 W/m.K تنظیم شده است. نرخ تغییر هوا در حدود 0.5 در ساعت است. صفحه ای مسطح کلکتور حرارتی خورشیدی به طور کلی با سطح موثر از 4 متر مربع قرار است رو به جنوب و در45o در هر دو آزمایش و شبیه سازی کج. نرخ جریان توده ای از محیط گرما در کلکتور خورشیدی 35o است.

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (1): انرژی خورشیدی گرمایش از کف که اولین بار ارائه شده است .
زمان استفاده از گرمایش از کف، و استفاده از انرژی خورشیدی و همچنین ذخیره آب در مخزن

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (1.ب) سیستم 2: انرژی خورشیدی است که تنها در مخزن برای آب گرم داخلی ذخیره می شود .حرارت توسط محیط گرم بازگشت با درجه حرارت بالا از سیستم گرمایش از کف انجام شده است در مخزن ذخیره می شود برای بهبود ضریب دیگ بخار.

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (2): طرح گرمایش از کف یک خانه مسکونی تعریف شده توسط IBEC

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (3): دمای کلکتور خورشیدی

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (4): دمای کف و اتاق نشیمن

اعتبار تجربی

یک آزمایش برای ارزیابی عملکرد سیستم از سیستم 1 در یک خانه واقعی از 1 مارس تا 30 آوریل در سال . 2011 انجام شد. داده های تجربی برای اعتبارسنجی مدل شبیه سازی در این مطالعه استفاده می شود. شکل 2 . خروجی و ورودی درجه حرارت آب از کلکتور خورشیدی در اوایل آوریل نشان می دهد .نتایج شبیه سازی حدود نتایج تجربی متصل شده است .شکل .3 درجه حرارت اتاق نشیمن و کف داخل سطح در اوایل آوریل نشان می دهد .درجه حرارت آب ورودی از گرمایش از کف در حدود 60 درجه سانتی گراد در طول مدت افزایش در آزمایش، که در شبیه سازی شبیه سازی نمی بالا است .
ثابت درجه حرارت آب خوراك از 45 درجه سانتی گراد به عنوان شرط در شبیه سازی شده بود. این اختلاف درجه حرارت بین 7 تا 8 نتایج تجربی و شبیه سازی را توضیح دهد .جزئیات بیشتر از نتایج داده ها و اعتبار تجربی را می توان در مطالعه قبلی پیدا شده است.

شرایط شبیه سازی

نتایج شبیه سازی در جدول شماره .1 نشان می دهد که برنامه های آب داخلی برای تمام موارد شبیه سازی .شکل. 6 ~ شکل 8 نشان دادن برنامه از نور، سرنشینان و دستگاه است. روزهای هفته و آخر هفته در این شبیه سازی شد متمایز است. موارد شبیه سازی در جدول .2 مصرف انرژی اولیه که توسط عوامل متعددی تحت تاثیر قرار ذکر شده در بالا ذکر شده است. در این مقاله، ما فقط مقایسه ارزش سیستم 1 (case1) و سیستم 2 (case2)
تحت شرایط کاملا یکسان است. مورد 0 به عنوان پایه ای برای مقایسه با case1 و مورد 2 بدون انرژی خورشیدی در صورت 0 درگیر، به عبارت دیگر، همه گرما نیاز است که توسط دو دیگ های بخار و گاز از سیستم گرمایش از کف و سیستم ذخیره آب، داخلی ارائه تنظیم شده است.

جدول 1: نتایج شبیه سازی

برنامه گرمایش از کف دمای از پیش تعیین شده از اتاق نشیمن± 20 :

0.5 oC، دوره محاسبه:1 / 15􀀀2 / 28

برنامه گرمایش از کف: 6: 00~10: 00  ،

18: 00~22: 00

داده های آب استاندارد آب و هوا داده ها (توکیو AMeDas)
تنظیمات سیستم دمایی خورشیدی مساحت پانل: 4M2 ، شیب پانل: °35 ، آزیموت

پانل: ° 0 (جنوبی)

ضریب از دست دادن حرارت از مخزن: 2.43 [W/ K] مخزن حجم: 90L،  ارتفاع 1.6M
خورشیدی خاموش کردن پمپ: درجه حرارت مخزن

> 70oC

خواص فیزیکی متوسط حرارت گرمایی ویژه:  kg􀀀K] 3.85/ کیلوژول]
دبی جرمی: 120 کیلوگرم / ساعت
تنظیم دیگ بخار گاز داخلی ضریب دیگ بخار آب: درجه حرارت آب 0.95 خوراك: 40oC
طبقه ضریب حرارت دیگ بخار :معادله (1) دمای آب خوراك: 60oC

جدول 2: مصرف انرژی اولیه

نمونه نمونه 0 نمونه 1 نمونه 2
توصیف سیستم بدون انرژی خورشیدی سیستم 1 سیستم 2
تبدیل حرارت بدون انتقال حرارت از کلکتور خورشیدی به

گرمایش از کف و یا مخزن

از گرمایش از کف به مخزن از کلکتور خورشیدی به مخزن
هدف برای مقایسه با مورد 1 و 2 مورد به طور موثر استفاده از

انرژی خورشیدی و کاهش مصرف انرژی اولیه

به منظور بهبود ضریب دیگ بخار و کاهش

مصرف انرژی اولیه

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (5): زمان بندی روزانه منبع آب خانگی

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (6): زمان بندی روزانه گرمای روشنایی

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (7): زمان بندی روزانه اشغال کننده

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (8): زمان بندی روزانه منبع گرما

نتایج شبیه سازی و بحث

مصرف انرژی اولیه مورد 2~0 مورد در Fig.9 نشان داده شده. ارزش جدایی ناپذیر از تقاضای انرژی اولیه فوریه برای اولین بار محاسبه شد، بر اساس آن، متوسط تقاضای انرژی روزانه محاسبه شد .
نتیجه این است که تقاضای انرژی گرمایش از کف برای مورد و مورد 1 کاملا یکسان هستند بر خلاف استراتژی کنترل را از سیستم 1 است. جمع آوری انرژی خورشیدی قرار است به طور کامل توسط گرمایش از کف استفاده می شود، در حالی که نتایج نشان داد که انرژی خورشیدی در مخزن ذخیره شده بود و منجر به مصرف انرژی پایین تر از ذخیره آب، داخلی. این نتیجه گیری نیز می تواند ثابت شود که در شکل نشان داده شده. شکل 10 نشان می دهد که دمای خروجی از پانل های خورشیدی و گرمایش از کف را در یک روز آفتابی با تابش خورشیدی به اندازه کافی 00~ 10 :: از آنجا که گرمایش از کف است تنها از 6 در حال اجرا 00 در روز، به دمای خروجی از کلکتور خورشیدی کمتر از که از گرمایش از کف است.
از نتایج در شکل 9 دیده می شود که اگر چه ضریب بویلر در مورد 2 افزایش می یابد با معرفی آب بازگشت گرمایش از کف به مخزن، در کل مصرف انرژی اولیه بالاتر از مورد 1 است دلیل این است که زمانی که هر دو انرژی خورشیدی و آب بازگشتی از حرارت رفتن به مخزن، درجه حرارت مخزن آسان است برای دریافت یک مقدار بالا به ویژه هنگامی که آب خانگی استفاده نمی شود. در این وضعیت، پمپ سیستم های حرارتی خورشیدی خواهد شد به OFF تغییر، در نتیجه انرژی خورشیدی می تواند موثر جمع آوری می شود. در همان زمان، به دلیل مخزن نگه می دارد در درجه حرارت بالا در زمان روز بدون استفاده از آب گرم در زمان، از دست دادن حرارت بیش از case1 است.
اگر چه نتایج در این مطالعه به خوبی تحت شرایط شبیه سازی تنظیم را انجام دهد، بهبود ضریب دیگ بخار است که هنوز هم به عنوان یکی از راه های مفید برای بهبود کل بهره وری انرژی سیستم در نظر گرفته .در موارد دیگر، به عنوان مثال، حجم مخزن به اندازه کافی بزرگ حاوی آب بیشتری برای ذخیره سازی انرژی خورشیدی است، و یا مقدار زیادی از آب های داخلی نیاز است، سیستم 2 است انتظار می رود که عملکرد بهتر است.

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (9): تقاضای انرژی اولیه

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (10): دمای منبع خورشیدی و گرمایش از کف

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (11): دمای هوای اتاق نشیمن

مطالعه تجربی و محاسباتی براي سیستم خانگی در خانه های هوشمند با کلکتور های خورشیدی

شکل (12): ضریب دیگ بخار

نتایج

این مقاله دو سیستم با سیستم های حرارتی خورشیدی به پشتیبانی از هر دو سیستم گرمایشی کف و ذخیره آب، داخلی با ساخت شبیه سازی انرژی مقایسه کرده است. کاهش دمای آب برگشتی از زمین را گرم می کند و ضریب دیگ بخار را بهبود می بخشد، اما در همان زمانی که از انرژی خورشیدی استفاده می شود حجم ذخیره سازی را کاهش می دهد. از سوی دیگر، انرژی خورشیدی ممکن است مستقیما توسط سیستم گرمایش کف استفاده نشود هر چند آن برای آن، طراحی شده است به خصوص برای اتاق خواب های به خوبی عایق بندی شده است. در این موارد، دمای طبیعی در روزهای گرم و آفتابی است که انرژی خورشیدی می تواند ذخیره و مقدار زیادی برای گرمایش از کف مورد نیاز است. در روز ابری و سرد گرمایش از کف لازم است اما هیچ انرژی خورشیدی نمی توان بدست آورد.
برای مطالعات آینده، حساسیت از برنامه گرم، برنامه آب خانگی، حجم مخزن و عایق بندی آن است که باید بررسی شود یک پیشنهاد بهتر برای انرژی خورشیدی مورد استفاده استراتژی کنترل بهتر در شرایط مختلف است.