Аннотация
Современные солнечные воздухонагревательные установки, широко применяемые в системах низкотемпературного теплоснабжения, демонстрируют определенную ограниченность в своей эффективности вследствие выраженной суточной и сезонной неравномерности солнечной инсоляции, а также значительных теплопотерь при малых уровнях освещенности. Ввиду данных обстоятельств остро ощущается потребность в инженерно компактных решениях, сочетающих прямой нагрев воздуха с регулируемым аккумулированием тепловой энергии. При этом особое значение приобретает разработка моделей, обладающих экспериментальной воспроизводимостью и верифицируемостью. Целью настоящей работы было формулирование и экспериментальное подтверждение оптико-теплотехнической модели интегрированного солнечного коллектора-аккумулятора с переменным углом раскрытия жалюзийного абсорбера. Модель описывает зависимость мгновенного коэффициента полезного действия (КПД) от плотности солнечного излучения при фиксированных углах открытия жалюзи – 0°, 45°, 60° и 90°, а также учитывает разделение поступающей энергии между воздушной ветвью и встроенным водяным теплоаккумулятором. На основе разработанного прототипа, заключенного в единый теплоизолированный корпус, были проведены стендовые испытания с регистрацией основных параметров: плотности солнечного потока, температур на входе и выходе воздушного канала, динамики нагрева воды и массового расхода воздуха. Математическая модель, лежащая в основе анализа, базировалась на балансе энергии с линейной зависимостью КПД от приведенной температуры, а идентификация параметров осуществлялась посредством метода наименьших квадратов. Динамика водяного звена описана через дифференциальное уравнение первого порядка. Надежность модели подтверждена высокими значениями доли объясненной дисперсии, отсутствием автокорреляции и соответствием распределения остатков нормальному закону. В работе представлены графические зависимости η(G) для четырех углов раскрытия жалюзи; при плотности солнечного потока 350, 650 и 1000 Вт/м² достигнута эффективность соответственно: ~0,36/0,50/0,56 для θ = 0°, ~0,33/0,48/0,55 для θ = 45°, ~0,32/0,47/0,54 для θ = 60°, и ~0,30/0,45/0,50 для θ = 90°. Усредненное значение КПД в диапазоне G = 200-1000 Вт/м² составило около 0,435. Показано, что умеренное увеличение угла открытия жалюзи до 45-60° приводит к снижению эффективности воздушной ветви на 1-4 процентных пункта, но, одновременно, способствует более активной зарядке водяного аккумулирующего звена. Совпадение модели с экспериментальными данными подтверждает ее практическую применимость и отсутствие систематической погрешности
Ключевые слова
Использованные источники
- Ajeena, A.M., Farkas, I., & Víg, P. (2024). Energy and exergy assessment of a flat plate solar thermal collector by examine silicon carbide nanofluid: An experimental study for sustainable energy. Applied Thermal Engineering, 236(Part D), article number 121844. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2023.121844.
- Albdoor, A.K., Obaid, Z.A.H., Kamel, M.S., & Azzawi, I.D.J. (2024). Energy, exergy, economic and environmental analysis of a solar air heater integrated with double triangular fins: Experimental investigation. International Journal of Thermofluids, 24, article number 100979. doi: 10.1016/j.ijft.2024.100979.
- Alhuyi Nazari, M., Mukhtar, A., Yasir, A.S.H., Rashidi, M.M., Ahmadi, M.H., Blazek, V., Prokop, L., & Misak, S. (2023). Applications of intelligent methods in solar heaters: An updated review. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 17(1), article number 2229882. doi: 10.1080/19942060.2023.2229882.
- Arnaoutakis, N., et al. (2022). Design, energy, environmental and cost analysis of an integrated collector storage solar water heater based on multi-criteria methodology. Energies, 15(5), article number 1673. doi: 10.3390/en15051673.
- Ayuob, S., Mahmood, M., Ahmad, N., Waqas, A., Saeed, H., & Sajid, M.B. (2022). Development and validation of Nusselt number correlations for a helical coil based energy storage integrated with solar water heating system. Journal of Energy Storage, 55(Part D), article number 105777. doi: 10.1016/j.est.2022.105777.
- Balakrishnan, P., Vishnu, S.K., Muthukumaran, J., & Senthil, R. (2024). Experimental thermal performance of a solar air heater with rectangular fins and phase change material. Journal of Energy Storage, 84(Part A), article number 110781. doi: 10.1016/j.est.2024.110781.
- Bocanegra, J.A., Marchitto, A., & Misale, M. (2025). Nanofluids in solar collectors: A comprehensive review focused on its sedimentation. Clean Technologies and Environmental Policy, 27, 1753-1784. doi: 10.1007/s10098-024-02964-2.
- Bouhdjar, A., Semai, H., & Amari, A. (2021). New technique to evaluate the overall heat loss coefficient for a flat plate solar collector. Journal of Energy Technology, 14(1), 11-25. doi: 10.18690/jet.14.1.11-25.2021.
- Chand, S., Chand, P., & Ghritlahre, H.K. (2022). Thermal performance enhancement of a solar air heater using louvered fins collector. Solar Energy, 239, 10-24. doi: 10.1016/j.solener.2022.04.046.
- Chand, S., Ghritlahre, H.K., & Singh, A.P. (2024). Exergetic performance evaluation of louvered finned solar air heater: An experimental investigation. Journal of Engineering and Applied Science, 71, article number 145. doi: 10.1186/s44147-024-00478-8.
- Hassan, M.A., & Araji, M.T. (2025). Integrated solar water and air heating: A control-based study for thermally active buildings. Energy and Buildings, 345, article number 116135. doi: 10.1016/j.enbuild.2025.116135.
- Iqbal, W., Ullah, I., Hussain, A., Cho, M., Park, J., Lee, K., & Shin, S. (2025). Optimizing energy efficiency: Louver systems for sustainable building design. Buildings, 15(7), article number 1183. doi: 10.3390/buildings15071183.
- Ito, R., & Lee, S. (2024). Development of adjustable solar photovoltaic system for integration with solar shading louvers on building façades. Applied Energy, 359, article number 122711. doi: 10.1016/j.apenergy.2024.122711.
- Koukou, M.K., Konstantaras, J., Dogkas, G., Lymperis, K., Stathopoulos, V.N., Vrachopoulos, M.G., Douvi, E., Caouris, Y., & Dimas, P. (2025). Investigation of an innovative flat-plate integrated collector-storage solar water heater with latent heat storage. International Journal of Thermofluids, 26, article number 101091. doi: 10.1016/j.ijft.2025.101091.
- Kravtsova, D., Ziuhan, U., & Fraimovych, A. (2024). Solar panels’ energy efficiency optimisation using mathematical methods with computerisation of calculations. Journal of Kryvyi Rih National University, 22(2), 68-72. doi: 10.31721/2306-5451-2024-2-22-68-72.
- Marzouk, S.A., Sharaf, M.A., Aljabr, A., & El-Said, E.M.S. (2024). Assessing the effects of different finned absorbers with swirl flow on the performance of solar air heater. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 46(1), 3245-3262. doi: 10.1080/15567036.2024.2318008.
- Messaouda, A., Hamdi, M., Hazami, M., & Guizani, A. (2024). Thermal assessment of a dual-purpose air/water heating system with perforated concrete matrix and water storage. Energy Conversion and Management, 322, article number 119122. doi: 10.1016/j.enconman.2024.119122.
- Palacio, M., Ramírez, C., Carmona, M., & Cortés, C. (2022). Effect of phase-change materials on the performance of a solar air heater. Solar Energy, 247, 385-396. doi: 10.1016/j.solener.2022.10.046.
- Rahimi-Ahar, Z., Khiadani, M., Rahimi Ahar, L., & Shafieian, A. (2023). Performance evaluation of single-stand and hybrid solar water heaters: A comprehensive review. Clean Technologies and Environmental Policy, 25, 2157-2184. doi: 10.1007/s10098-023-02556-6.
- Rátkai, M., Géczi, G., & Székely, L. (2024). Investigation of the Hottel-Whillier-Bliss model applied for an evacuated tube solar collector. Eng, 5(4), 3427-3438. doi: 10.3390/eng5040178.
- Singh, V.P., Jain, S., Karn, A., Kumar, A., Dwivedi, G., Meena, C.S., Dutt, N., & Ghosh, A. (2022). Recent developments and advancements in solar air heaters: A detailed review. Sustainability, 14(19), article number 12149. doi: 10.3390/su141912149.
- Zaboli, M., Saedodin, S., Mousavi Ajarostaghi, S.S., & Karimi, N. (2023). Recent progress on flat plate solar collectors equipped with nanofluid and turbulator: State of the art. Environmental Science and Pollution Research, 30(51), 109921-109954. doi: 10.1007/s11356-023-29815-9.