На основании результатов исследований автора Крас­нодарской лабораторией энергосбережения и нетрадици­онных источников энергии АКХ были разработаны Реко­мендации по проектированию гелиоустановок котельных и ЦТП. В данной работе были исследованы следующие во­просы: анализ опыта эксплуатации солнечно-топливных котельных и ЦТП с гелиоустановками; методики расчё­тов солнечной радиации в условиях Краснодарского края; теоретические основы проектирования гелиоустановок и выбор оптимального варианта размещения солнечных коллекторов; основные теплоэнергетические показатели и схемные решения гелиоустановок котельных и ЦТП; ана­лиз экономической целесообразности сооружения и экс­плуатации гелиоустановок котельных и ЦТП, в том чис­ле принципы сопоставимости, структуры капитальных вложений, годовые эксплуатационные затраты, расчёт экономии топлива, эффект от снижения вредных выбро­сов, определение экономически целесообразных удельных капитальных вложений на сооружение гелиоустановок, стоимостей солнечных коллекторов, металлоконструк­ций. В указанных рекомендациях на основании обработки многолетних данных интенсивности солнечной радиации городов Краснодара и Геленджика по известным методи­кам были определены расчётные месячные теплопроизво­дительности выпускаемых до 1990 г. отечественных кол­лекторов при углах наклона 30° и 45° к горизонту.

Анализ экономических показателей гелиоустановок горячего водоснабжения, построенных в 1999-2000 гг., выполнен в работе [101]. В табл. 3.28 приведены техниче­ские показатели 10 таких установок. На них применены солнечные коллекторы Ковровского механического завода различных конструкций теплопоглощающей панели и те­плоизоляции. Коллекторы размещены на кровлях зданий, либо на навесах. Баки-аккумуляторы выполнены из не­ржавеющей стали, стали СтЗ с различными покрытиями. Теплоизоляция баков — стекловата и оцинкованная сталь. Схемы гелиоустановок — одноконтурные, циркуляция воды через солнечные коллекторы — термосифонная или на­сосная. Режим работы гелиоустановок — сезонный. В табл. 3.29 представлены стоимостные показатели гелиоустано­вок, приведённые к ценам 2000 г. по курсу 1 дол. США = 28 руб. Стоимость гелиоустановок, построенных в 1999 г. пересчитаны с учётом официальных показателей ин­фляции за соответствующий период. При анализе пока­зателей общая стоимость гелиоустановки распределена на следующие составляющие: солнечные коллекторы, учитывающая как собственно их стоимость, так и затра­ты на их монтаж; металлоконструкции и трубопроводы, включающая стоимость материалов, вспомогательного оборудования, арматуры, теплоизоляции и их монтаж; бак-аккумулятор с его монтажом и теплоизоляцией; про­чие расходы: проектирование и наладка. В табл. 3.30 приведены экономические показатели указанных выше гелиоустановок.

В общем случае при условии равенства эксплуатацион­ных затрат гелиоустановки и традиционного энергоисточ-

ника срок экономической окупаемости гелиоустановки мо­жет быть определён по формуле

где Ту — срок экономической окупаемости, лет; Кт, Кт — ка­питальные вложения в гелиоустановку и замещаемый тра­диционный энергоисточник, руб.; Q — годовое количество тепловой энергии, выработанное гелиоустановкой, кВт ч; Ст — стоимость замещаемой тепловой энергии, руб./кВт-ч.

Капитальные вложения на сооружение гелиоустановки определяются по формуле

(3.35)

где Кг — капитальные вложения в гелиоустановку, руб.; kg — удельные капитальные вложения на сооружение ге­лиоустановки, руб./м2; q — удельная теплопроизводитель­ность гелиоустановки, кВт-ч/ м2.

Соответственно из формул (3.34) и (3.35) следует, что удельные капитальные вложения на сооружение гелиоу­становки выражаются уравнением:

(3.36)

Согласно нормам проектирования удельная теплопро­изводительность гелиоустановки определяется по формуле

(3.37)

где г|г — КПД гелиоустановки; Js, Jd — интенсивность пря­мой и рассеянной солнечной радиации, падающей на гори­зонтальную поверхность в течение усреднённых суток рас­чётного месяца, кВт-ч/м2; Ра — коэффициент положения солнечного коллектора для прямой солнечной радиации; Ъ — угол наклона солнечных коллекторов к горизонту.

Расчётное годовое количество тепловой энергии, выра­батываемое гелиоустановкой, выражается уравнением

Q = nG’Tcv(t2-t1),

где Q — расчётное годовое количество тепловой энергии, кВт-ч; Gr’ — расчётный суточный расход горячей воды по­требителя для месяца с минимальным уровнем солнечной радиации (для гелиоустановок без дублёра), кг; п — продол­жительность эксплуатации гелиоустановки, ч.

Таким образом, удельные капитальные вложения на сооружение гелиоустановки определяются по формулам

К=К+К«+Ьб+К’ (3.40)

где kK, ftMK, k6, йпр — удельные капитальные вложения соот­ветственно в солнечные коллекторы, металлоконструкции и трубопроводы, бак-аккумулятор и прочие; принимаются для каждой гелиоустановки с учётом конкретных условий.

Удельные капитальные вложения в солнечные коллек­торы целесообразно определять, ограничив значения их расчётных КПД — r|max, из уравнения

к™+jdcos2||rcT+raG, J;2_fi)]-(feMK+fe6+fenp). (з.41)

По результатам расчётов по формуле (3.41) принимает­ся решение по выбору конкретной конструкции солнечно­го коллектора и для него определяются капитальные вло­жения в гелиоустановку по формуле

nG’Tcv (t2 — )(kT + Амк + + fcnp)

І‘в““ — a — 2

Уточнённый расчётный срок экономической окупаемо­сти гелиоустановки принимается по формуле:

В табл. 3.31 приведены экономические показатели гели­оустановок. При определении стоимости сооружения заме­щаемого традиционного энергоисточника приняты затраты на приобретение и монтаж электрокотлов катодного типа отечественного производства, насосов, трансформаторных подстанций в ценах июля 2000 г. при курсе 1 дол. США — 28 руб. Стоимость замещаемой электрической энергии при­нята 0,9 руб./(кВт-ч) — 0,032 дол. СШАДкВт-ч). В данной таблице приведены результаты расчётов сроков экономиче­ской окупаемости гелиоустановок по формуле (3.43).

Минимальный срок окупаемости — 3,7 года имеет гелиоустановка в г. Темрюк, что объясняется шестиме­сячным сроком эксплуатации. Максимальные сроки оку­паемости имеют гелиоустановки базы отдыха «Элита» (г. Анапа) — 10,2-10,4 года как следствие трёхмесячного срока эксплуатации и применения баков из нержавеющей стали. Гелиоустановки с баками из обычной стали имеют сроки окупаемости 3,7-6,6 года, с баками из нержавеющей стали — 7,7-10,4 года, т. е. в полтора-два раза больше.

Значительные сроки окупаемости гелиоустановок и рост цен на органическое топливо ставят под сомнение экономи­ческие показатели на столь отдалённую перспективу. В этих условиях целесообразно дополнительно определить срок энер­гетической окупаемости гелиоустановок, сопоставив количе­ство энергии, выработанное гелиоустановкой за год с энерго­затратами на производство материалов гелиоустановки:

где Е/?гскЭск, Т. туЭу — массы и энергоёмкости материалов со-

ответственно солнечных коллекторов и остальных элемен­тов гелиоустановки (металлоконструкций, трубопроводов, баков-аккумуляторов гелиоустановок), кВт ч; q — удельное количество тепловой энергии, вырабатываемое гелиоуста­новкой за год, кВт-ч/м2.

При сооружении 10 гелиоустановок, представленных в табл. 3.31, применены солнечные коллекторы следующих конструкций: № 1 — поглощающая панель из латунной трубки, стальных рёбер, теплоизоляционная воздушная коробка из пергамина с покрытием тыльной стороны ДВП и пергамином; № 2 — то же со стальными ребрами, теплои­золяция из пенополиуретана, покрытие тыльной стороны из стального листа; № 3 — то же с алюминиевыми погло­щающими рёбрами, теплоизоляция из пенополиуретана с покрытием тыльной стороны из стального листа.

Удельная энергоемкость материалов конструкций сол­нечных коллекторов, кВт ч/м2, составила соответственно для № 1 — 2826; № 2 — 3518; № 3 — 4961 [101]. Из анализа данных значений следует, что для различных конструк­ций солнечных коллекторов с увеличением КПД на 7-10 % удельная энергоёмкость возрастает на 57 %.

На рис. 3.41 представлены структура стоимости, удель­ной материалоемкости и энергоемкости указанных выше гелиоустановок.

Таким образом, опыт разработки методологических основ проектирования гелиоустановок горячего водоснаб­жения и их строительства позволяет сделать следующие выводы.

1. Исследования гелиоустановок горячего водоснабже­ния большой производительности позволили установить необходимость выполнения режимно-наладочных испыта­ний, в результате которых их КПД увеличивается на 17­21 %. В отличие от зарубежных аналогов при увеличении производительности их удельная стоимость существенно не изменяется. Сопоставление значений сроков окупаемо-

Рис. 3.41.

Структура стоимости, удельных материалоемкости и энергоемкости гелиоустановок сти гелиоустановок с площадью солнечных коллекторов 96-326 м2 с аналогичными показателями при площади 22-54 м2 не выявило их уменьшения. В структуре стоимо­сти гелиоустановок основные затраты приходятся на при­обретение и монтаж солнечных коллекторов (40,0-67,0 %), при этом наибольшие значения характерны для импорт­ных коллекторов. Применение баков-аккумуляторов из нержавеющей стали значительно увеличивает срок окупа­емости гелиоустановок.

2. Солнечно-топливные котельные в отличие от гели­оустановок ГВС характеризуются большими значениями КПД и меньшей удельной стоимостью монтажа, эксплуа­тации. Установлена взаимозависимость эффективности ра­боты гелиоустановок и КПД котельных.

3. Анализ тенденций повышения стоимости органиче­ского топлива, с одной стороны, и снижения цен на обору­дование с использованием ВИЭ по мере совершенствования технологий их производства, с другой, показал целесоо­бразность определения срока энергетической окупаемости гелиоустановок при сопоставлении количества энергии, выработанной за год с энергозатратами на производство её оборудования и материалов.

4. В соответствии с методическими основами проекти­рования с 1987по 2003гг. выполнена разработкаи строитель­ство 42 гелиоустановок горячего водоснабжения, эксплуа­тация которых подтвердила их расчётные характеристики. Завершено также проектирование ещё 20 гелиоустановок с общей площадью солнечных коллекторов 1903 ж2.Рис. 3.40. Месячный график работы гелиоустановки солнечно-топливной ко­тельной в Анапе

[1] nkh

где R — расстояние между скважинами; rc, — радиус рабочей скважины с постоянным давлением р0; ps — давление в слое; рэ — давление на забое эксплуатационной скважины; Q. — расход жидкости, подаваемой в скважину; k — коэффици­ент проницаемости слоя; ц — коэффициент динамической вязкости; h — высота образованного водоносного горизонта; Fo — число Фурье.

[2] Данные по ст. Геленджик получены на ведомственной метеостан­ции «Сатурн».

Для солнечных водонагревательных установок соотно­шение параметров при отсутствии теплового дублёра выра­жается уравнением:

О Л

0,278 10-3АЕ/ лг =ОгсрУ2-Ь),

i-n vi

— интенсивность

суммарной солнечной радиации в плоскости сол­нечных коллекторов за п часов работы, кВт ч/м2; лг — КПД гелиоустановки; Gr — количество нагретой гелио­установкой воды, кг; ср — удельная теплоёмкость воды, кДжДкг-К); tv t2 — температура воды на входе и выходе из гелиоустановки, °С.

Солнечные водонагревательные установки, совмещен­ные с котельными (солнечно-топливные котельные), име­ют существенно большие значения КПД и меньшие удель­ные стоимости монтажа и эксплуатации. Для них найдено уравнение, связывающее показатели эффективности рабо­ты гелиоустановки и котлов:

о 71

0,278 ИГ3 АX I лг = Grc (*’ -)-BQX,

о

где t’2 — температура воды после гелиоустановки перед до — гревом в котельной, °С; В — расход топлива в котельной при догреве после гелиоустановки, кг; ^ — теплотворная спо­собность топлива, кДж/кг; г|к — КПД котельной.

Выражение (3.31) позволяет найти формулы для опре­деления основных параметров солнечно-топливных ко­тельных: площади гелиоустановки и её КПД:

srcP(*2-*i)-SQX

Г At I лг 0.278 10 8

i=0 p<

Результаты исследований автора по солнечно­топливным котельным использованы при сооружении ге­лиоустановок в Краснодарском крае по улицам Крымской и Некрасова в г. Анапа, Захарова и Шаумяна в г. Красно­дар, Коллективной в г. Усть-Лабинск, Чапаева в г. Тима — шевск. Первая в Краснодарском крае солнечно-топливная котельная под руководством автора была построена в 1987 г. в г. Анапе по ул. Крымской с 517 солнечными коллекто­рами завода «Сибтепломаш» общей площадью 414 м2. Кол­лекторы смонтированы на навесе перед зданием и на кров­ле котельной. Азимутальный угол гелиоустановки 120° (30° на юго-восток) определялся возможностями сооружения навеса. Углы наклона коллекторов — 10° и 45° к горизонту. Режим работы — круглогодичный, схема двухконтурная с солевым антифризом.

Данная солнечно-топливная котельная проработала пять лет до 1992 г., когда начался массовый выход из строя солнечных коллекторов. В 1992 г. автором был разработан проект, в соответствии с которым коллекторы завода «Сиб­тепломаш» были заменены на коллекторы завода «Спец­гелиотепломонтаж» (Тбилиси) (216 шт.). По ряду причин гелиоустановка с новыми коллекторами после монтажа в эксплуатацию сдана не была и без консервации простояла 10 лет.

По проекту и под руководством автора в 2002 г. выпол­нена реконструкция гелиоустановки с восстановлением тбилисских коллекторов и с установкой дополнительных аналогичных коллекторов, а также коллекторов, произве­денных заводом института «КиевЗПИИЭП». Для принятия решения о целесообразности восстановления коллекторов были выполнены распилы образцов теплопоглощающих
панелей, анализ коррозионных повреждений, дефектовка теплоизоляции, корпусов, уплотнений и т. п.

Основными работами при ремонте коллекторов тбилис­ского завода являлись: устранение равномерной коррозии всех теплопоглощающих панелей с последующей окраской, замена винтовых соединений, патрубков всех теплопогло­щающих панелей. При реконструкции гелиоустановки на навесе смонтировано 216 восстановленных тбилисских коллекторов с углом наклона 45° к горизонту и азимуталь­ной ориентацией 120°. Данные решения определялись существующими компоновочными решениями металло­конструкций навеса. На кровле котельной были смонтиро­ваны 68 киевских коллекторов под углом 30° к горизонту с южной ориентацией.

Принципиальные схемы трубопроводов гелиоустанов­ки солнечно-топливной котельной до и после реконструк­ции приведены на рис. 3.38 и 3.39. Расчетный режим работы — апрель-октябрь. Теплоноситель подается парал­лельно в два блока солнечных коллекторов (тбилисских и киевских), гидравлические сопротивления которых согла­сованы, и далее в пластинчатые теплообменники, в кото­рых при необходимости и в ночное время вода догревается теплоносителем котельной. Выбор такой компоновки сол­нечных коллекторов обусловлен ограниченностью площа­дей кровли и навеса котельной. При этом гелиоустановка обеспечивает 30-85 % суточной производительности горя­чего водоснабжения котельной. Максимальная температу­ра воды после гелиоустановки 55 °С.

На рис. 3.40 приведен месячный график изменения теплопроизводительности, объема, температур воды, сте­пени обеспечения гелиоустановкой нагрузок горячего во­доснабжения. Догрев воды до 55 °С (при необходимости) после гелиоустановки осуществляется в теплообменниках, подача теплоносителя в которые регулируется клапаном типа РТ, блоком автоматики ТРМ12 с датчиком темпера-

1 — блок солнечных коллекторов на навесе; 2 — блок солнечных коллекто­ров на кровле; 3 — теплообменник гелиоконтура; 4 — теплообменник догре — ва; 5 — насос гелиоконтура

1 — блок тбилисских солнечных коллекторов; 2 — блок киевских солнеч­ных коллекторов; 3 — теплосчётчик; 4 — тепловая автоматика; 5 — пла­стинчатые теплообменники

туры Pt-ІОО. Система учета тепловой энергии солнечно­топливной котельной включает датчики расхода холодной воды, теплоносителя типа ВСТ с электрическим выходным сигналом, датчики температуры Pt-ІОО, тепловычисли­тель ВКТ-4 и принтер. Наладочные работы гелиоустанов­ки производились по известным методикам с измерением солнечной радиации пиронометром М-115 в комплекте с гальванометром ГСА-1. Обработка данных тепловычис­лителя и наладочных работ с 01.07.02 г. по 01.10.02 г. по­зволила установить средний КПД гелиоустановки 40-42 %, что существенно выше (на 8-10 %) КПД гелиоустанов­ки ГВС с такими же солнечными коллекторами. При этом существенного расхождения эффективности тбилисских и киевских коллекторов не установлено.

В результате анализа опыта режимно-наладочных ис­пытаний гелиоустановок автором установлено соответ­ствие основных расчётных параметров и характеристик; необходимость дополнительных проектных решений
(установка датчиков расхода и температуры нагреваемой воды и дублирующего теплоносителя с электрическим вы­ходным сигналом, тепловычислителя с архивированием показаний; прямые участки на трубопроводах обвязки сол­нечных коллекторов для установки переносных ультразву­ковых расходомеров; устройство карманов для установки на трубопроводах датчиков и термометров); целесообраз­ность разработки типовой методики режимно-наладочных испытаний гелиоустановок.

В 1989 г. по проекту автора в Краснодаре была построе­на и эксплуатируется до настоящего времени гелиоуста­новка издательства «Советская Кубань» с площадью сол­нечных коллекторов 260 м2. Солнечные коллекторы (432 шт.) размещены на кровле цеха. Ориентация их — южная, угол наклона к горизонту 45°, режим работы — сезонный: апрель-октябрь. Компоновка солнечных коллекторов — двухрядная. Баки-аккумуляторы (5 шт.) вместимостью по 4 м3 соединены параллельно и размещены на черда­ке соседнего здания, превышающего на 8 м отметку верхней образующей коллекторов. Циркуляция воды осуществляется насосом К8/18. Солнечные коллекторы размерами 1000x600x100 мм изготовлены фирмой «Спец — гел иотеп ломонтаж» (г. Тбилисси). Теплопоглощающая панель — штамповано-сварная (материал СтЗ), имеет два патрубка Ду 20 мм. Панель покрыта черной эмалью; приме­нено стекло толщиной 4 мм; обечайка корпуса выполнена из алюминиевого проката; теплоизоляция из листового пе­нопласта; с наружной стороны покрытие теплоизоляции — фанера (в 1999 г. заменена на фольгу из алюминия). На рис. 3.32 приведена схема трубопроводов этой гелиоустановки. В 1991 г., через два года после ее ввода в эксплуатацию Краснодарской лабораторией Академии коммунального хозяйства были выполнены режимно-наладочные работы. С учетом реального уровня солнечной радиации в течение нескольких недель июня-июля был определён средний экс­плуатационный КПД гелиоустановки — 16 %. Причинами столь низкого КПД были отступления от проекта и нерав­номерное распределение воды через отдельные группы коллекторов. После изменения схемы соединения солнеч­ных коллекторов, согласования гидравлических сопротив­лений отдельных контуров циркуляции были проведены повторные испытания. В результате ее фактический КПД увеличился на 21 % и составил 37 %. Абсолютное значение температурной развёртки в характерных точках контуров циркуляции уменьшилось с 10 до 4 °С.

Гелиоустановка площадью 326 м2 для котельной в г. Тимашевск, разработанная автором, построена в 1989 г.

Солнечные коллекторы (340 шт.) размещены следующим образом: 98 штук — на кровле, 242 штук — на четырёх на­весах вблизи здания котельной. Ориентация коллекто­ров — южная, угол наклона к горизонту 45°, режим рабо­ты — сезонный: апрель-октябрь. Компоновка коллекторов на кровле котельной — однорядная, на навесах — семиряд­ная. Коллекторы размерами 1550x630x100 мм изготов­лены заводом «Сибтепломаш» (г. Братск). Теплопогло­щающая панель — штамповано-сварная из листовой стали СтЗ, имеет 4 патрубка Ду 20 мм с резьбовым подключением. Покрытие — гальваническое «чёрный хром», толщина стекла 5 мм, корпус — штампованный из листовой стали СтЗ, теплоизоляция — минеральная вата. Через три года после ввода установки в эксплуатацию были выполнены режимно-наладочные работы [162]. При этом были выяв­лены отклонения от проекта обвязки групп коллекторов трубопроводами, отсутствовала возможность совместной работы с водогрейным котлом. В результате обработки по­лученных при испытаниях данных по-новому выполнены врезки групп коллекторов, согласованы их гидравличе­
ские сопротивления, внесены изменения в схему трубопро­водов котельной, что обеспечило повышение эксплуатаци­онного КПД гелиоустановки до 54 %.

Схема трубопроводов данной установки (рис. 3.33) предусматривает следующие режимы работы. Водопро­водная вода после прохождения через Na-катионитовые фильтры, в которых снижается до нормативных значе­ний ее жесткость, подогревается теплом гелиоустановки в теплообменнике и поступает в бак-аккумулятор. Утром следующего дня разжигается один из котлов «Братск-1Г», теплоноситель от которого подаётся в теплообменник до — грева. Горячая вода из бака-аккумулятора, нагретая на­кануне теплом гелиоконтура, насосом подается в теплооб­менник, где догревается теплоносителем котла и поступает во второй бак-аккумулятор, из которого осуществляется разбор горячей воды на потребление. Продолжительность работы котла 1—1,5 ч в сутки.

В Сочи для круглогодичного горячего водоснабжения корпуса санатория им. Фрунзе разработан проект гелио­установки площадью 198,7 м2.

Целесообразность сооружения данной установки подтверждена технико-экономическим обосно­ванием, выполненным автором в Краснодарской лаборатории АКХ. Солнечные коллекто­ры (92 шт.) типа 2123 фирмы

Рис. 3.33.

Схема трубопроводов гелиоустановки котельной в г. Тимашевск:

1 — солнечные коллекторы; 2 — тепло­обменник гелиоконтура; 3 — насос гелио­контура; 4 — Na-катионитовые фильтры; 5 — повысительный насос; 6 — баки — аккумуляторы; 7,8 — насосы горячего во­доснабжения; 9 — теплообменник догрева
«AMCOR» (Израиль) имеют общую площадь 198,6 м2. Те­плопоглощающая панель коллекторов выполнена из мед­ных трубок со стальным оребрением, имеет селективное покрытие, защищена просветлённым градостойким сте­клом, пенополиуретановой теплоизоляцией и алюминие­вым корпусом. Габариты коллектора 1940x1240x95 мм, площадь 2,16 м2, масса 63 кг. Здание санаторного корпу­са имеет плоскую мягкую кровлю, над которой выполнена кровля из алюминиевого профиля по деревянному карка­су. Для размещения солнечных коллекторов на отметке 34,5 м запроектирован новый каркас с опорой на 32 колон­ны, проходящие через обе кровли с передачей нагрузок на существующий железобетонный несущий каркас зда­ния. Данное решение согласовано с генпроектировщи­ком — институтом «Южпроекткоммунстрой» для работы при 9-балльной сейсмичности. Ориентация коллекторов — южная с отклонением 10° на восток, угол наклона к го­ризонту 45°. Число и вместимость баков-аккумуляторов приняты с учетом режимов работы гелиоустановки, а так­же из условий распределения нагрузок на несущий каркас здания. Баки-аккумуляторы вместимостью 8 м3 (2 шт.) и 4 м3 (2 шт.) установлены над лифтовыми шахтами с превы­шением 500 мм над верхней образующей солнечных кол­лекторов, что при максимальном уровне солнечной радиа­ции в летнее время обеспечивает термосифонный режим циркуляции. При недостаточном уровне солнечной радиа­ции циркуляция обеспечивается насосами UPS-32-120 (2 шт.) фирмы «GRUNDFOS». Догрев воды в зимнее время и при продолжительной пасмурной погоде производится в двух электрокотлах типа ТАВИА-ЭВК-45 катодного типа мощностью по 45 кВт. Расчётное время работы котлов с 22.00 до 7.00 — (по льготному ночному тарифу).

Схема трубопроводов гелиоустановки (рис. 3.34) предусматривает два режима работы. В дневное время пер­вая группа баков рабочей вместимостью 12 м3 (8+4 м3) ра-

1 — солнечные коллекторы; 2 — насосы гелиоконтура; 3 — баки- аккумуляторы; 4 — насосы электрокотлов; 5 — электрокотлы; 6 — рецир­куляционные насосы ботает в режиме нагрева с солнечными коллекторами. При этом в зависимости от потребности в горячей воде могут работать все коллекторы или их половина. В ночное время первая группа баков-аккумуляторов автоматически пере­ключается в режим догрева в электрокотлах с водоразбо­ром из них со следующего утра. Вторая группа баков вме­стимостью 12 м3 утром дополняется водопроводной водой до заданного уровня и переключается в режим работы с солнечными коллекторами. Первая и вторая группы баков работают попеременно, обеспечивая подачу потребителям расчётного количества горячей воды с температурой 55 °С.

В связи с размещением баков-аккумуляторов на кровле здания предусмотрена установка рециркуляционных на­
сосов фирмы «GRUNDFOS»

UPS-32-120. На рис. 3.35 приведены графики сопо­ставления теплопроизво­дительности данной гели­оустановки при КПД 60 % и расчётного потребления корпусом горячей воды с температурой 55 °С.

Для горячего водоснаб­жения городского рынка в г. Краснодар разработана гелиоустановка площадью 220 м2, особенностью кото­рой является размещение солнечных коллекторов фирмы «AMCOR» (Изра­иль) на двух плоскостях

кровли с перепадом отметок в 4 м, а также двойное дубли­рование (электрокотлами и догревом от централизованно­го теплоснабжения), солнечных коллекторов (102 шт.) об­щей площадью 220 м2 устанавливаются на южной стороне кровли здания под углом 45° к горизонту. В данном случае применены коллекторы модели 2133. Предусмотрено два бака-аккумулятора, вместимость каждого 20 м3. Один бак обеспечивает суточную потребность рынка в горячей воде. Циркуляция воды через солнечные коллекторы обеспечи­вается двумя насосами LP-50-125/142 фирмы «GRUND­FOS». Первый насос включается при разности температур до и после солнечных коллекторов, равной 10 °С, второй — при разности температур в 20 °С. При недостаточном уров­не солнечной радиации вода догревается в электрокотлах ЭВК-60 фирмы «ТАВИА» (С.-Пб.) или в пластинчатых те­плообменниках, подключенных к системе централизован­ного теплоснабжения. Режим работы баков-аккумуляторов

Рис. 3.36.

Схема трубопрово­дов гелиоустанов­ки городского рын­ка г. Краснодар:

1 — солнечные кол­лекторы; 2 — насосы гелиоконтура; 3 — баки-аккумуляторы;

4 — насосы те­пловых дублёров;

5 — электрокотлы;

6 — пластинча­тый подогреватель;

7 — насосы горячего водоснабжения

1 — солнечные коллекторы; 2 — баки-аккумуляторы; 3 — насосы гелиокон­тура; 4 — насосы ГВС; 5 — пиковый подогреватель пароводяной
совместно с тепловыми дублёрами аналогичен режиму гелиоустановки спального корпуса санатория им. Фрунзе в Сочи. Схема трубопроводов гелиоустановки приведена на рис. 3.36. Особенность данной установки — применение микропроцессорного блока для автоматизации управле­ния. При этом обеспечиваются заполнение баков холодной водой до заданного уровня, последовательное включение насосов циркуляции воды через солнечные коллекторы, догрев воды в тепловом дублёре, подача горячей воды за­данной температуры потребителю.

В 2001 г. разработана, смонтирована и введена в эксплу­атацию гелиоустановка горячего водоснабжения ремонт­ного цеха локомотивного депо в г. Тихорецк площадью 96 м2. Солнечные коллекторы (120 шт.) КМЗ смонтирова­ны на кровле цеха на отметке 12 м. На рис. 3.37 приведена схема трубопроводов гелиоустановки. Циркуляция воды через солнечные коллекторы обеспечивается насосом 3, по­дача потребителям — насосом 4. Водопроводная холодная вода поступает в бак-аккумулятор № 1 через регулятор уровня в баке № 2, из которого производится водоразбор горячей воды. При этом бак № 1 работает в режиме нагре­ва с солнечными коллекторами. Горячая вода вследствии температурной стратификации поднимается в верхнюю часть бака № 1, откуда по перемычке перетекает в бак № 2, восполняя поданную потребителям порцию воды. Та­ким образом, один из баков работает в режиме нагрева с солнечными коллекторами, второй имеет запас горячей воды, готовый для потребления. При недостаточном уров­не солнечной радиации предусмотрен догрев воды в паро­водяном теплообменнике системы централизованного теплоснабжения.

В табл. 3.25 приведены технические характеристики рассмотренных выше гелиоустановок. При расчётах их дневной производительности принимались во внимание значения интенсивности прямой и рассеянной радиации

(по результатам обработки данных многолетних изме­рений); максимальные и минимальные значения произ­водительности на основе заданной продолжительности эксплуатации; температура воды на входе и выходе из ге­лиоустановки соответственно 15 и 55 °С.

В табл. 3.26 приведены стоимостные показатели ге­лиоустановок в ценах 2001 г. (при курсе 1 дол. США = 30 руб.). Стоимость гелиоустановок, построенных до 2001 г., пересчитана в сопоставимых ценах. Общая стои­мость гелиоустановок распределена на следующие со­ставляющие: солнечных коллекторов, учитывающая как собственно их приобретение, так и затраты на монтаж; баков-аккумуляторов с затратами на монтаж и теплоизо-

ляцию; металлоконструкций и трубопроводов, включая материалы, вспомогательное оборудование, теплоизоля­цию, арматуру и затраты на монтаж; пиковых догрева- телей с насосами; прочие расходы (проектирование и на­ладка). Наименьшие удельные стоимости (76,1 дол./м2 и 1078 дол./м3) имеет гелиоустановка в Тимашевске, что обусловлено применением дешёвых солнечных коллекто­ров со стальными теплопоглощающими панелями, а также использованием существующего оборудования котельной, в первую очередь баков-аккумуляторов. Гелиоустановка издательства «Советская Кубань» в Краснодаре, оборудо­ванная аналогичными солнечными коллекторами, также имеет низкую удельную стоимость (117,3 дол./м2), одна­ко применение избыточной ёмкости баков-аккумуляторов из нержавеющей стали почти вдвое увеличивает удель­ную стоимость кубометра емкости (2440 дол./м3). По это­му показателю данная гелиоустановка менее выгодна, чем установка в г. Тихорецк с солнечными коллекторами с по­глощающей панелью из латунной трубки со стальным оре- брением. Анализ показателей гелиоустановок санатория им. Фрунзе в Сочи и городского рынка в Краснодаре пока­зывает, что варианты с коллекторами Ковровского меха­нического завода (поглощающая панель из латунной труб­ки со стальным оребрением) примерно в 1,5 раза дешевле варианта с израильскими коллекторами фирмы «AMCOR» (поглощающая панель из медных трубок со стальным оребрением).

В общей стоимости гелиоустановок основные затраты приходятся на приобретение и монтаж солнечных кол­лекторов, причем при использовании отечественных кол­лекторов они составляют 43,6-61,7 %. При замене изра­ильских коллекторов фирмы «AMCOR» на отечественные (КМЗ) затраты уменьшаются с 53 % до 31,4 %. Расходы на изготовление и монтаж баков-аккумуляторов из стали СтЗ с лакокрасочным покрытием незначительны, составляют

2,6-7,7 % и увеличиваются до 26,2 % при изготовлении баков-аккумуляторов из нержавеющей стали. Применение отечественных электрокотлов с насосами может увеличить стоимость гелиоустановки на 6,4-13,3 %. В расчётах при­нята стоимость наиболее качественных и дорогих электро­котлов фирмы «ТАВИА» (С.-Петербург).

В табл. 3.27 приведены экономические показатели ге­лиоустановок. При определении стоимости сооружения традиционного энергоисточника затраты на приобретение и монтаж электрокотлов катодного типа отечественного производства, насосов, трансформаторных подстанций также указаны в ценах декабря 2001 г. Соответственно сто­имость замещаемой энергии принята — 1 руб./(кВт-ч) или

0,033 дол./(кВт-ч). В таблице представлены результаты расчётов сроков экономической окупаемости по методике, изложенной автором в работе [101].

Минимальный срок окупаемости имеет гелиоустанов­ка котельной в г. Тимашевск (2,8 года), что объясняется низкой стоимостью солнечных коллекторов со стальной теплопоглощающей панелью (около 40 дол./м2), высоким КПД — 54 %, определяемым оптимальными температур­ными и гидравлическими параметрами работы, использо­ванием оборудования существующей котельной. Большой срок окупаемости гелиоустановки издательства «Совет­ская Кубань» в Краснодаре (7,38 года), также оборудо­ванной солнечными коллекторами со стальной теплопо­глощающей панелью, обусловлен высокой стоимостью баков-аккумуляторов из нержавеющей стали и их избы­точной вместимостью. Применение солнечных коллек­торов израильской фирмы «AMCOR» в гелиоустановках Сочи и Краснодара (городской рынок) приводит к увеличе­нию срока окупаемости до 13,7 года, что почти вдвое боль­ше чем при использовании коллекторов Ковровского меха­нического завода (7,6-8,68 года).

Сопоставление данных, представленных в табл. 3.27, и аналогичных показателей гелиоустановок площадью 22­54 м2, рассмотренных автором в работе [101], показало, что увеличение площади солнечных коллекторов в 2-5 раз не вызывает уменьшения сроков окупаемости.

В настоящее время в России и странах СНГ растет ин­терес потребителей к использованию гелиоустановок. Ана­лиз, выполненный автором [162-163], показал, что как при нынешнем уровне цен на органическое топливо в Рос­сии, так и при его повышении до мирового уровня, даже для южных российских регионов экономически целесоо­бразно применение солнечной энергии только для горячего водоснабжения.

При проектирования гелиоустановок горячего водоснаб­жения в качестве основных исходных данных необходимы следующие: суточная потребность в горячей воде опреде­ленной температуры и график её потребления по времени суток; данные интенсивности солнечной радиации; срок окупаемости; вид теплового дублера; наличие свободных площадей плоской кровли или возможность сооружения на­веса для размещения солнечных коллекторов; химический состав воды; расчетные ветровые нагрузки и др.

При определении расчетной производительности гели­оустановки установлено, что известные российские нормы расхода горячей воды весьма завышены. Более реальны западные нормы расхода воды с температурой 55 °С — 50 л на человека в сутки. При расчете производительности гелиоустановки определяющее значение имеет интенсив­ность суммарной солнечной радиации, которая для Рос­сии и стран СНГ может быть определена по справочнику [6]. При отсутствии сведений о конкретном населенном пункте в указанном справочнике может быть использован опыт автора по обработке многолетних массивов солнечной радиации и определения расчетных значений для условий Краснодарского края [18].

Экономическая целесообразность сооружения гели­оустановки определяется, в основном, стоимостью сол­нечных коллекторов и замещаемой энергии. Для выбора конкретной конструкции следует определить удельные стоимости различных солнечных коллекторов, ограничив их расчётный КПД максимальным и минимальным зна­чениями [101]. По результатам расчётов и анализа опти­мального соотношения стоимости и теплотехнического со­вершенства солнечного коллектора принимается решение о его конкретной конструкции.

Площадь устанавливаемых солнечных коллекторов рассчитывается по формулам Норм проектирования [135], номограмме альбома [137], паспортным тепловым характе­ристикам. При этом для сезонных гелиоустановок без ду­блера минимальную и максимальную производительности следует определять по продолжительности работы объекта в течение года [101].

Солнечные коллекторы выпускаются в России в соот­ветствии с ГОСТ Р [34, 35] несколькими заводами отдель­ными партиями. Основные характеристики коллекторов, выпускаемых в России и Украине, приведены в главе 19. Данные характеристики получены на российских испыта­тельных стендах, не имеющих международной сертифика­ции. Они не учитывают результаты натурных испытаний. Следует подчеркнуть необходимость доработки россий­ских стандартов до уровня таковых в Германии DIN 4657 и единой Европе EN 12975.

Результаты анализа конструкции солнечных кол­лекторов каждого завода представлены автором в статье [36]. Производители России и Украины выпускают кол­лекторы с теплопоглощающей панелью, в основном, из коррозионно-устойчивых материалов, что определяет их высокую стоимость для внутренних рынков. Оптимальное соотношение «цена-качество» имеют солнечные коллекто­ры КМЗ, которых выпущено около 2300 штук. Коллекто­ры НПП «Радуга-Ц» выпускаются в меньшем количестве. Их применение ограничено высокой стоимостью и возмож­ностью использования только в двухконтурных схемах гелиоустановок. НПО машиностроения выпустило пока опытную партию новых коллекторов.

В соответствии с нормами проектирования гелиоуста­новок [135, п.3.9] угол наклона солнечных коллекторов к горизонту следует принимать равным широте местности для установки, работающей круглый год, а для эксплуа­тируемых только в летний период — широте местности ми­нус 15°. На рис. 3.29 в табл. 3.24 представлены результаты расчётов по методике [136] интенсивности суммарной сол­нечной радиации в плоскости коллектора, расположенного под углом 30° и 45° к горизонту, для условий Краснодара. При угле наклона коллектора 30° в зимние месяцы сум­марная солнечная радиация на 11,3-13,9 % меньше, чем при угле наклона 45°. Летом же при наклоне коллектора 30° суммарная солнечная радиация превышает значения для угла наклона 45° до 10,2 %. Годовое значение суммарной солнечной радиации при угле наклона коллектора 30° пре­вышает аналогичную величину при угле 45°, что суще­ственно отличается от рекомендаций норм.

1 — 30"; 2 — 45"

Согласно требованиям п. 3.9 «Норм проектирования» оптимальной ориентацией солнечных коллекторов счита­ется направление на юг с возможными отклонениями на восток до 20° и на запад до 15°. На рис. 3.30 представлен график изменения суммарной солнечной радиации для условий Краснодара при угле наклона коллектора 30° к го­ризонту и различной его ориентации. Анализ отклонений положения солнца от соответствующего максимальной ра­диации (21 июня) в течение летнего сезона (май — сентябрь) показал, что оно составляет ±15°.

Из графика следует, что значения интенсивности сум­марной солнечной радиации резко уменьшается при от­клонении от южной ориентации более чем на ±15°.

При оптимальной компоновке солнечных коллек­торов снижается стоимость гелиоустановки. Согласно п.3.17 Методических указаний по расчету и проектиро­ванию систем солнечного теплоснабжения [135] расстоя­ние между рядами (блоками) коллекторов по горизонта­ли следует принимать, как правило, равным 1,7 высоты ряда при круглогодичной эксплуатации гелиоустанов­ки, и равным 1,2 высоты ряда — при летней работе. На рис. 3.31 показано определение расстояний между рядами коллекторов при угле их наклона к горизонту 30°.

Размещение солнечных коллекторов возможно двумя способами: а) на кровле котельной или в непосредственной близости от неё; б) на кровлях подключённых к данной ко-

Рис. 3.31.

Оптимальное рассто­яние между рядами коллекторов при угле наклона 30°

тельной потребителей. Преимуществами первого вариан­та являются минимальные тепловые потери, возможность квалифицированного обслуживания персоналом котель­ной, использование оборудования котельной. Основной не­достаток при этом — ограниченность площади гелиополя, так как котельные располагаются обычно на минимальном расстоянии от жилых домов. Преимуществами второго ва­рианта являются возможность размещения коллекторов большой площади, отключения отдельных гелиоустановок без останова всей системы. К недостатку данного варианта следует отнести особые требования к конструкциям кро­вель зданий. При расположении солнечных коллекторов на плоской кровле необходима проверка несущей способ­ности плит перекрытия, а в ряде случаев и несущего кар­каса здания.

В 2001 г. при проектировании гелиоустановки расчёт­ной производительностью 10 м3 в день на плоской кровле здания цеха локомотивного депо в г. Тихорецк, выполнен­ной из железобетонных плит (1,5×6 м) с утеплителем из ке­рамзита и нескольких слоев рубероида по цементной стяж­ке, в 2001 г. установлено 120 солнечных коллекторов КМЗ. Ориентация коллекторов — южная, под углом 45° к продоль­ной оси здания. Угол наклона коллекторов к горизонту 30°. Компоновка — двухрядная пятью блоками по 24 коллекто­ра. Общий вес одного блока с коллекторами, заполненны­ми водой, и опорных металлоконструкций 5600 кг. При
шаге опор 2,5 м расчетная нагрузка на каждую опорную лапу составляет 70 кг, что соответствует удельной нагрузке 67 г/см2 и создает дополнительную нагрузку на каждую пли­ту 140 кг, допустимую по условиям ее прочности. Имеется 12-летний опыт успешной эксплуатации аналогичных опор.

При проектировании гелиоустановки с солнечны­ми коллекторами фирмы AMCOR (Израиль) площадью 198,7 м2 с общей емкостью баков-аккумуляторов 22 м3 на кровле 9-этажного здания санатория им. Фрунзе в Сочи в условиях 9-балльной сейсмичности потребовался дополни­тельный расчет несущей способности каркаса всего здания, а также разработка специальной рамы для размещения коллекторов.

Проектирование опорных металлоконструкций гели­оустановок ведется с учетом ветровых усилий. Так, по­строенная в 1997 г. гелиоустановка с 90 солнечными кол­лекторами КМЗ на берегу Черного моря в г. Новороссийск (нефтепирс «Шесхарис») выдержала порывы ветра скоро­стью 50 м/с.

Установки солнечного горячего водоснабжения с есте­ственной циркуляцией следует проектировать при площади солнечных коллекторов до 10 м2 [135, п. 3.3]. Рекомендации института «Ростовтеплоэлектропроект» определяют пре­дельную производительность таких установок в 2 м3 в день, что соответствует площади солнечных коллекторов до 20 м2.

Опыт проектирования свидетельствует о возмож­ности создания гелиоустановок с естественной цир­куляцией, обеспечивающих значительно большую производительность. Так, построена и успешно экс­плуатируется гелиоустановка производительностью 3,5 м3 в день с 48 солнечными коллекторами (38,4 м2) на базе отдыха «Рассвет» в станице Благовещенской г. Анапа. Коллектор и бак-аккумулятор размещены на колоннах. Грунт песчаный с периодическим смачи­ванием. Гелиоустановка производительностью 6 м3 в день с 72 солнечными коллекторами (57,6 м2), разме­щенными на плоской кровле трехэтажного здания пан­сионата «Лесная поляна», построена в Новороссийске. Бак-аккумулятор емкостью 6 м3 установлен на опор­ных металлоконструкциях. Имеется опыт разработки гелиоустановок с естественной циркуляцией и большей производительности.

Конструкция бака-аккумулятора существенно опре­деляет стоимостные показатели гелиоустановки. Её удельная стоимость с баками из стали СтЗ с покрытием, например холодным оцинкованием, составляет 124-161,6 дол./м2, что значительно ниже, чем с баками из нержавеющей стали (175,5-195,8 дол./м2) [101]. При проектировании гелиоустановок без теплового дублера принимается к установке два бака-аккумулятора по 50 % от расчетной вместимости. Один из них работает в гелио­контуре с солнечным коллектором, второй служит для ак­кумулирования нагретой до заданной температуры воды и подачи ее потребителям.

С участием автора разработаны проекты, выполнен монтаж и успешно эксплуатируются гелиоустановки горя­чего водоснабжения следующей расчетной дневной произ­водительности (типовые проекты):

1) 200 литров — с тремя солнечными коллекторами площадью 2,4 м2 с вариантами монтажа коллекторов на наклонной кровле, бака-аккумулятора в чердачном поме­щении; отдельно стоящей блочной с коллекторами и баком на общих металлоконструкциях, двухконтурной со змее­виком в баке-аккумуляторе;

2) 1000 литров — с 12 солнечными коллекторами пло­щадью 9,6 м2, размещенными на кровле в однорядном исполнении;

3) 2 м3 — с 24 солнечными коллекторами площадью 19,2 м2, размещенными на плоской кровле, на наклонных и горизонтальных навесах;

4) 3 м3 — с 36 солнечными коллекторами площадью 28,8 м2, размещенными на плоской кровле, на фермах над кровлей, на навесах;

5) 4 м3 — с 48 солнечными коллекторами площадью 38,4м2, размещенными на навесе с естественной циркуляцией;

6) 6 м3 — с 72 солнечными коллекторами площадью 57,6 м2, размещенными на плоской кровле с естественной циркуляцией;

7) 10 м3 — с 120 солнечными коллекторами площа­дью 96 м2, размещенными на плоской кровле с насосной циркуляцией.

Разработаны также проекты гелиоустановок расчетной дневной производительности 17 м3 с солнечными коллек­торами «AMCOR» (Израиль):

1) для корпуса № 2 санатория им. Фрунзе в г. Сочи пло­щадью 198,7 м2 с размещением солнечных коллекторов и баков-аккумуляторов общей емкостью 22 м3 на кровле 9 этажного здания.

2) для городского рынка г. Краснодар площадью 220 м2 с размещением солнечных коллекторов на кровле здания, баков-аккумуляторов — в подвальном помещении.

Результаты экономических расчётов гелиоустановок целесообразно в ряде случаев дополнять определением сро­ков энергетической окупаемости, когда количество энер­гии, вырабатываемое гелиоустановкой, сопоставляется с энергоёмкостью её материалов и монтажа [101].

А. М.Розенкевичем и Ю. К.Рашидовым в статье [194] обо­снована необходимость определения народнохозяйствен­ного эффекта при сооружении гелиоустановок как разно­сти экономии органического топлива при их эксплуатации за определенный срок и расхода органического топлива при производстве, изготовлении и монтаже элементов гелио­систем. При этом не учитывается экологический эффект при эксплуатации гелиоустановок. В. Н.Гониным в статье
[195] предложен многокритериальный подход для оцен­ки эффективности использования ВИЭ. Е. И.Янтовским и Е. В. Лукиной изложена методика предварительной оценки эффективности использования ВИЭ.

Срок окупаемости ВИЭ предложено определять по формуле

где ma=Ma/N, mB=MJN — удельная материалоемкость ва­рианта традиционногоэнергоисточника «а» и с использо­ванием ВИЭ — «в»; Ма, Мв — массы основных материалов; Эа, Эв — удельная энергоемкость основных материалов; г|а, г|в — коэффициенты полезного действия сравниваемых ва­риантов по использованию первичной энергии (топлива); N — номинальная мощность, одинаковая для сравнивае­мых вариантов.

В статье В. В.Алексеева, О. А.Синюгина [84] изложен метод энергетического анализа межотраслевых связей и энергоотдачи. Авторами указывается, что прямые расхо­ды энергии на производство продукции не отражают всю полноту взаимосвязей отраслей, не дают полной картины энергопотоков. Косвенные затраты энергии существенны и могут превосходить прямые. При учёте косвенных за­трат определяются как прямые потоки самой энергии, так и потоки энергии, воплощенные в продукцию смежных отраслей. В этом смысле межотраслевой баланс прямых и опосредованных энергопотоков даёт, по мнению авторов, адекватную картину производства и потребления энергии в народном хозяйстве.

Следует отметить, что данная концепция актуальна для оценки макроэкономических показателей и неприменима для анализа конкретных инженерных сооружений с ис­пользованием ВИЭ. Авторами статьи предложено также оценивать различные способы производства энергии с еди­
ной позиции — энергетической эффективности. Если W1 — полные затраты энергии на создание и функционирование энергообъекта, a W2 — энергия, производимая энергообъ­ектом в течение всего срока его службы, то безразмерный коэффициент энергоотдачи объекта можно представить в виде соотношения:

W2

Ц = (3.27)

Степень термодинамического совершенства энергети­ческих установок определяется энергетическим КПД по формуле

(3.28)

где цг — КПД гелиоустановки; То, Тб — температуры окру­жающей среды и теплоносителя [79].

В работе автора [196] предложены аналитические за­висимости для определения срока энергетической окупае­мости гелиоустановок горячего водоснабжения без дубли­рующего догрева:

где ЪттЭт, ЪтуЭу — суммы произведений масс и энергоём­костей материалов соответственно солнечных коллекторов и оборудования гелиоустановки; Qr — количество тепловой энергии, выработанное гелиоустановкой за год; п — расчёт­ный срок эксплуатации гелиоустановки. Коэффициент 1,2 учитывает затраты энергии при монтаже.

Расчеты по данной формуле показали, что для теплопо­глощательной панели из латунной трубки замена стальных ребер на алюминиевые увеличивает срок энергетической окупаемости в полтора раза.

В работе [88] приведены показатели качества и экс — ергии различных видов энергии, энергетические и экс — ергетические КПД процессов преобразования. Если для электрической энергии показатель качества составля­ет 1, то для тепловой энергии при температуре 100 °С он всего 0,2. Для традиционного теплоснабжения энергетиче­ский КПД — 90 %, а эксергетический — 14 %.

Таким образом, анализ существующего опыта разработ­ки и эксплуатации солнечных водонагревательных устано­вок позволил установить:

— необходимость разработки новых аналитиче­ских зависимостей и методик проектирования гелиоустановок;

— перспективность сооружения гелиоустановок боль­шой производительности и их исследований;

— целесообразность исследований эффективности солнечно-топливных котельных;

— необходимость определения перспективности гелио­установок с воздушными солнечными коллекторами;

— целесообразность разработки новой методологии экономического и энергетического обоснования при­менения гелиоустановок.

Методические основы оценки эффективности соору­жения и эксплуатации гелиоустановок разработаны Б. В.Тарнижевским и представлены в статьях [180-182]. О. О.Попелем, С. Е.Фридом, Э. Э.Шпильрайном предложена формула для определения годового экономического эффек­та применения гелиоустановок теплоснабжения [183]:

АЭ = ^-Ст-(Ев+п)АК, (3.16)

Лтр

где f — доля покрытия солнечной энергией годовой по­требности в теплоте; Q — годовая потребность в тепло­те; г|тр — КПД традиционной установки теплоснабжения; Ст — стоимость единицы теплоты; Ев — коэффициент норма­тивной эффективности; п — коэффициент, учитывающий издержки на амортизацию и ремонт; АК — дополнитель­ные капитальные вложения в гелиоустановку. При этом не учитываются затраты в замещаемый традиционный энергоисточник.

Согласно Рекомендациям института ЦНИИЭП инже­нерного оборудования [184], энергетический эффект ча­стичного или полного замещения традиционного источ­ника теплоснабжения альтернативным с использованием ВИЭ определяется по формуле

АЭ = АЭя + АЭ + АЭ — АЭ, (3.17)

где АЭэ — экономия энергоресурсов, используемых тради­ционным источником теплоснабжения; АЭос — эффект сни­жения загрязнения окружающей среды при использова­нии альтернативного источника энергии; АЭу — экономия заработной платы персонала традиционного источника теплоснабжения или социальный эффект при замещении мелких индивидуальных топочных устройств; ДЭт — до­полнительные затраты на альтернативную генерирующую установку.

Аналогичный подход изложен также в методике Акаде­мии наук СССР [185].

В описанных методиках не отражён в полной мере во­прос о замещаемом базовом традиционном источнике теплоты, что, в основном, определяет экономическую целесообразность применения источников энергии с ис­пользованием ВИЭ. Важные результаты экономических исследований гелиоустановок получены коллективом под руководством М. И. Валова.

В статьях М. И.Валова, В. А.Асташенко, Е. Н.Зимина [186-188] приведена структура затрат при строительстве систем теплоснабжения жилых домов с использованием солнечных коллекторов с поглощающей панелью из ото­пительного радиатора. Авторами не указано, на основании каких объектов и технических решений гелиоустановок получена данная структура затрат. В статье М. И.Валова [186] приведено выражение для определения предельного

значения удельной стоимости гелиоустановки в зависимо­сти от климатических и стоимостных факторов:

где Sfl — стоимость тепла, вырабатываемого традицион­ной системой теплоснабжения, с учётом коэффициента полезного использования топлива, руб./ГДж; Нт — сум­марная интенсивность солнечной радиации, приходящая на поверхность солнечных коллекторов за год, ГДж/м2; г|к — коэффициент полезного действия системы гелиоте­плоснабжения; 5 — доля отчислений на амортизацию, ре­монт и прочие расходы гелиоустановки; Ев — коэффициент нормативной эффективности. Расчёт удельной стоимости гелиоустановки по формуле (3.18) с использованием зна­чения нормативной окупаемости капитальных вложений в современных условиях некорректен.

В работах Н. В.Харченко [189], В. Д. Петраша, М. М. По Лунина [190] отмечено, что поскольку солнечные установки отличаются относительно высокими капиталь­ными затратами, а возврат первоначальных вложений компенсируется экономией топлива в течение длительно­го периода времени, то необходимо выполнить технико­экономическую оценку целесообразности их сооружения. Оценку полной экономии, обеспечиваемой гелиосистемой за расчётный срок службы, авторами предложено опреде­лять по формуле

Э^=(С^д-С^-(г"-Хт),

где Стгод, С^- стоимость годового количества энергии, вы- рабатываемоготрадиционным энергоисточником и комби­нированной гелиотопливной системой теплоснабжения со­ответственно; N — расчётный срок службы гелиосистемы;

Ктт, К1 — капитальные вложения в традиционные и комби­нированные энергоисточники.

Анализ формулы (3.19) показывает, что при больших расчётных сроках службы гелиосистем прогнозирование стоимости замещаемого топлива крайне затруднено.

Разработана методика расчета экономической целесоо­бразности сооружения гелиоустановок при условии их при­ведения к равному экологическому эффекту с замещаемым традиционным энергоисточником [191]. Как известно, основ­ной причиной глобального изменения климата признано вы­деление углекислого газа при сжигании органического то­плива. В дымовых газах традиционных энергоисточников, даже работающих на природном газе, содержание диоксида углерода составляет 9-12 %, который может быть утилизи­рован и применён для выращивания хлореллы или извлечен в жидком виде. При этом экономический эффект сооружения гелиоустановки котельной рассчитывается по формуле

Э = в[(Я; — Kl) + (K-К*)-Кт] + АЭк +ДЭд + ДЭ0С +ЭТ — Эг, (3.20) где є — нормативный коэффициент окупаемости капиталь­ных вложений; Кгк, К — капитальные вложения соответ­ственно в базовую традиционную котельную и в котельную, оборудованную гелиоустановкой; ІГд, ІГд — капитальные вложения в установку утилизации диоксида углерода ба­зовой котельной и котельной с гелиоустановкой соответ­ственно; Кт — капитальные вложения на сооружение гели­оустановки; ДЭк — экономия эксплуатационных расходов базовой по сравнению с солнечно-топливной котельной; ДЭд — экономия эксплуатационных расходов установок ути­лизации диоксида углерода базовой и солнечно-топливной котельных; Эос~ компенсационная стоимость затрат по за­щите окружающей среды; Эт — стоимость сэкономленного топлива при эксплуатации гелиоустановки; Эг~ эксплуата­ционные расходы гелиоустановки.

В результате технико-экономических расчётов солнечно-топливных котельных с учетом затрат на утили­зацию диоксида углерода установлено, что срок окупаемо­сти капитальных вложений составляет 2,8-8,4 года, что значительно превышает сроки окупаемости, рассчитанные по традиционной методике 2,6-3,4 года. Следует отметить, что данная методика неприменима для практических рас­чётов целесообразности сооружения гелиоустановки. При определённых упрощениях (без учёта эксплуатационных затрат) расчётный срок окупаемости гелиоустановки

(3.21)

где Sc — удельная сметная стоимость гелиоустанов­ки, руб./м2; Q — годовое (сезонное) количество теп­ла, выработанное гелиоустановкой в расчёте на 1 м2, Гкал/м2; Ст — стоимость замещаемой тепловой энер­гии, ру б./Гкал.

Приведенная формула не учитывает затраты на соору­жение замещаемого традиционного энергоисточника.

В соответствии с нормами проектирования «Установки солнечного горячего водоснабжения» [135] сооружение ге­лиоустановки целесообразно при условии

/£ть (3.22)

где f — критерий экономической эффективности гелиоуста­новки; Г| — сезонный или годовой коэффициент полезного действия гелиоустановки.

Критерий экономической эффективности предлагает­ся определять как отношение капитальных, эксплуатаци­онных расходов гелиоустановки к количеству солнечной энергии, падающей за год (сезон) на плоскость солнечных коллекторов:

106(Ди,+а)ДГ 3,6 С£дг ’

где Ew — нормативный коэффициент эффектив­ности капитальных вложений; а — норма отчис­лений на покрытие эксплуатационных расходов; К — удельные капитальные затраты на гелиоустановку, руб./м2; С — удельная стоимость замещаемой теплоты, руб./Вт; qt — интенсивность падающей солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м2.

КПД гелиоустановки определяется по формуле

где 0 — приведенная оптическая характеристика солнечно­го коллектора; tvt2~ температура теплоносителя на входе и выходе из коллектора, °С; tc — средняя дневная темпера­тура наружного воздуха, °С.

По формуле (3.23) определяется срок окупаемости затрат на сооружение гелиоустановки при условии использова­ния всей падающей на неё солнечной радиации, по формуле (3.24) — степень теплотехнического совершенства солнечного коллектора, его КПД. Сопоставление критериев срока окупа­емости гелиоустановки, степени технического совершенства солнечного коллектора и принятие на этой основе решения об экономической целесообразности сооружения гелиоуста­новки некорректно. При практических расчётах значения удельной стоимости гелиоустановок изменяются в широком диапазоне. Они зависят от стоимости солнечных коллекто­ров, металлоконструкций, баков гелиоустановок и т. д.

КПД гелиоустановки определяется теплотехническими характеристиками конкретной конструкции солнечного коллектора. Данная методика имеет следующие недостат­
ки: отсутствие сопоставления с традиционным энергои­сточником; многовариантность расчётов; сложность опре­деления стоимости металлоконструкции, оборудования, трубопроводов.

Целесообразность использования гелиоустановок по методике М. И.Валова и Б. И.Казанджана [192] определяет­ся из условия:

ДЗПТ + ДЗС + ДЗП0 > 0, (3.25)

где ДЗпт, ДЗс, ДЗпо — разность приведенных затрат на соору­жение и эксплуатацию, социальных затрат, затрат на при­родоохранные мероприятия между традиционным энерго­источником и гелиоустановкой соответственно.

Практические расчёты экономической эффективности сооружения гелиоустановок по формуле (3.25) крайне за­труднены. Расчет разности социальных и природоохранных затрат сооружения традиционного энергоисточника и ге­лиоустановки по указанной методике носит субъективный характер. Гелиоустановки как в России, так и за рубежом пока, в основном, не конкурентоспособны традиционным энергоисточникам. В Европе быстрые темпы развития гели­оустановок обусловлены государственной поддержкой [193].

В России в настоящее время отсутствуют нормативные документы на проведение наладочных испытаний солнеч­ных водонагревательных установок.

Существующие методики основаны на дискретном или непрерывном (с помощью регистрирующих приборов) из­мерении суммарной интенсивности солнечной радиации, массовых расходов и температур теплоносителя, темпе­ратуры окружающего воздуха, параметров работы тепло­вого дублёра. Обработка результатов измерений произ­водится за различные временные интервалы: час, сутки, месяц, год. В результате измерений определяются фак­тические значения КПД гелиоустановки и коэффициента замещения.

Имеющиеся в настоящее время теплогидравличе­ские испытательные стенды научной станции-полигона «Солнце» Института высоких температур РАН (Махач­кала) позволяют производить тепловые испытания сол­нечных коллекторов, изучать распределение температур теплоносителя по полю коллекторов и по объёму баков — аккумуляторов, отрабатывать различные гидравлические режимы и схемы соединений солнечных коллекторов, оценивать зависимость дневной производительности от типа коллектора, режима работы и метеоусловий. Изме­рительные комплексы большого и малого стенда преду­сматривают проведение тепловых испытаний солнечных коллекторов по методике, применяемой в США. При этом определяются количественные значения факторов, влияю­щих на достоверность испытаний коллекторов: спектраль­ного состава излучения, его равномерности, угла деколли­мации, скорости потока воздуха.

Л. Н.Стронским и другими авторами приведен способ экспериментального исследования солнечных коллекто­ров динамическим методом [169]. При этом снимаются кривые разгона температур теплоносителя на выходе из коллектора при воздействии теплового возмущения до и после прекращения последнего. По утверждению авторов применение данного метода может существенно сократить продолжительность экспериментальных исследований.

В Европе натурные испытания гелиоустановок на спе­циальных стендах наиболее качественно выполняют в Фраунгоферовском институте (г. Фрайбург, Германия) [44]. Измерение расхода теплоносителя производят в диапазоне от 10 л/(м2-ч) до 50 л/(м2ч), температуру определяют с точ­ностью до 0,02 К. Установлено, что затраты на испытания солнечных коллекторов и гелиоустановок достигают 20 % общей стоимости их разработки. Примером американского метода исследования может служить методика натурных кратковременных испытаний солнечных водонагреватель­ных установок с определение на их основе долговременных характеристик [170].

Отечественными специалистами накоплен определён­ный опыт испытаний гелиоустановок в реальных услови­ях. Материалы испытаний солнечной водонагревательной установки вместимостью 100 л НПП «Митра» в условиях г. Анапа представлены И. М.Абуевым [171]. Анализ резуль­татов испытаний гелиоустановки горячего водоснабжения площадью 176 м2 в условиях средней полосы России вы­полнен С. И.Смирновым с соавторами [172]. Р. Байрамовым и Г. Р.Назаровой представлены результаты испытаний на экспериментальном стенде в условиях Ашхабада усовер­шенствованной схемы теплоснабжения термосифонной гелиоустановки горячего водоснабжения [173]. Группой исследователей в статье [174] приведены результаты испы­тания гелиосистемы горячего водоснабжения 4-этажного жилого дома в Ташкенте. Сделан вывод о неокупаемости данных гелиосистем в текущий период. По мнению иссле­дователей наиболее перспективны для горячего водоснаб­жения солнечно-топливные котельные.

Автором в 1987-1988 гг. выполнены эксплуатацион­ные испытания солнечно-топливной котельной в г. Анапа с площадью солнечных коллекторов 400 м2 [15]. Определе­ны эксплуатационные показатели данной гелиоустановки, оптимальные диапазоны работы и распределение тепло­вых нагрузок между гелиоустановкой и водогрейными котлами.

Значительный опыт наладки гелиоустановок нако­плен в Средней Азии. Результаты этих работ опублико­ваны в статьях [175-176]. В Армении под руководством

3.3. Шпильрайна были выполнены комплексные испы­тания гелиоустановки жилого дома [177]. В Молдавии была исследована гелиоустановка девятиэтажного жилого дома [178]. В России результаты испытаний гелиоустано­вок в условиях южных регионов опубликованы в статье

3.3. Шпильрайна [179].

В России общая площадь гелиоустановок не превышает 100 тыс. м2 [116]. С 1995 г. по 2002 г. сооружено 42 гели­оустановки горячего водоснабжения производительностью от 1 до 10 м3 горячей воды в день общей площадью 3639 м2, анализ опыта разработки которых выполнен в работах [117-127]. В России самые большие гелиоустановки пло­щадью по 400 м2 построены в 1987 г. под руководством и по проекту автора в г. Анапа, в 1997 г. под руководством П. В. Садилова в пос. Лазаревском (Сочи).

Научные основы проектных решений разработаны Б. В.Тарнижевским и его сотрудниками [128-130]. Методы расчёта систем теплоснабжения представлены также в ста­тьях [131-134].

По данным на 1990 г. в СССР эксплуатировались ге­лиоустановки общей площадью около 150 тыс. м2. Суще­ствовала нормативно-информационная база солнечного теплоснабжения. При расчётах гелиоустановок интенсив­ность солнечной радиации принималась по справочнику [6]. Действовал государственный стандарт на общие тех­нические условия при изготовлении солнечных коллекто­ров. Нормы проектирования гелиоустановок горячего во­доснабжения [135] и рекомендации по их проектированию [27] были разработаны институтом «КиевЗНИИЭП». Ми­нэнерго СССР утвердило Методические указания по расчё­ту и проектированию систем солнечного теплоснабжения [136]. В альбоме для проектирования установок горячего водоснабжения отдельных объектов, а также систем цен­трализованного теплоснабжения был обобщён опыт проек­тирования, конструирования и расчётов, автоматизации, приведены принципиальные схемы, даны примеры кон­структивных решений и расчётов [137]. В СССР было раз­работано более 300 проектов установок солнечного горяче­го водоснабжения и отопления, в том числе 13 типовых и 21 для повторного применения [138].

Ведущей организацией по проектированию гелиоуста­новок в СССР являлся институт «КиевЗНИИЭП», в ко­тором под руководством М. Д. Раби-новича разработано 20 типовых проектов [139]: отдельно стоящей установки солнечного горячего водоснабжения с естественной цир­куляцией для индивидуального жилого дома; унифици­рованной установки солнечного горячего водоснабжения общественных зданий производительностью 7,5; 15; 25; 30; 70 м3/сут.; установки солнечного горячего водоснабже­ния сезонного действия производительностью 2,5; 10; 30;

40; 50 м3/сут. Данным институтом были разработаны де­сятки экспериментальных проектов, в том числе системы солнечного горячего водоснабжения плавательных бассей­нов, солнечно-теплонасосная установка горячего водоснаб­жения (вариант с долгосрочным аккумулированием).

Институтом «ТашЗНИИЭП» были разработаны 10 ти­повых проектов гелиоустановок: системы сезонного го­рячего водоснабжения типовых 4-5 комнатных жилых домов; гелиодушевые на две-четыре кабины, установки го­рячего водоснабжения на 500 и 1000 л/сут.; системы ГВС сезонного действия с ЦТП (6 проектов для различной плот­ности застройки и разного коэффициента использования солнечной энергии); проект солнечно-топливной котель­ной в г. Нариманово площадью 903 м2 [140].

Институтом «ТбилЗНИИЭП» разработаны пять типо­вых проектов гелиоустановок, в том числе системы солнеч­ного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией для одноэтажных 2-5-комнатных жилых домов; одноквар­тирного жилого дома с усиленной теплоизоляцией для сельской застройки районов Восточной Грузии с системой солнечного горячего водоснабжения и отопления; проект солнечно-теплонасосной установки Дома отдыха «Гуми — ста» площадью 980 м2 [141-142].

Московским институтом «ЦНИИЭП инженерного оборудования» были разработаны проекты солнечно­топливной котельной в г. Ашхабад площадью 766 м2, солнечно-теплонасосной установки площадью 690 м2 для гостиничного комплекса в г. Геленджик [143].

Известны несколько компьютерных программ расчё­та гелиоустановок: НИИ санитарной техники (Киев), ин­ститута «КиевЗНИИЭП», Высшего военного инженерно­строительного училища (С.-Петербург) [144].

Разработкой гелиоустановок занимался также Киев­ский инженерно-строительный институт [145]. Сравнение различных методов расчёта систем солнечного теплоснаб­жения выполнено Н. В.Харченко [146]. Математическое мо­делирование гелиоустановок описано В. А.Никифоровым [147-148]. Исследованием гелиоустановок объектов сель­ского хозяйства занимался институт электрификации сельского хозяйства (г. Зерноград, Ростовская обл.) [149]. Учёными Московского энергетического института разра­ботаны методы расчёта систем гелиотеплоснабжения [150].

В России в настоящее время проектирование гелиоу­становок в наибольших масштабах ведётся в Краснодаре под руководством автора [151, 152]. Проектирование ге­лиоустановок выполняется также институтом «Ростовэ — лектропроект» под руководством А. А.Чернявского [153], например проект гелиоустановки пансионата «Лукомо­рье» (Новороссийск). Этим институтом разработаны реко­мендации по проектированию солнечных станций тепло­снабжения с использованием коллекторов Ковровского механического завода. При проектировании применялся Справочник оборудования гелиоустановок [154].

В Украине проектирование гелиоустановок в на­стоящее время, в основном, ведётся под руководством М. Д. Рабиновича [155].

К гелиоустановкам горячего водоснабжения малой производительности относятся установки для жилых до­мов производительностью до 500 л в день. Наиболее полно расчёты, монтаж и эксплуатация таких гелиоустановок в отечественной практике освещены в книге Н. В.Харченко [104]. Данное направление развивалось Ю. К.Рашидовым в Узбекистане [156, 157].

Наиболее совершенные малые гелиоустановки произ­водятся в Германии [159]. Исследования эффективности использования индивидуальных солнечных водонагрева­тельных установок в различных регионах России и Европы выполнены О. С.Попелем и С. Е.Фридом в работе [160].

В России имеется сравнительно небольшой опыт разра­ботки и эксплуатации малых гелиоустановок. По проекту автора построена гелиоустановка жилого дома в станице Благовещенской Краснодарского края производительно­стью 200 л в день с солнечными коллекторами Ковровского механического завода. Гелиоустановка — одноконтурная, циркуляция — термосифонная. Бак выполнен из стали толщиной 3 мм с лакокрасочным покрытием, теплоизо­лирован, размещен на чердаке. Стоимость гелиоустановки 500 дол. В той же станице построены четыре гелиоустанов­ки в домах на базе отдыха «Элита» с коллекторами того же завода такой же производительности. Баки выполнены из пищевой нержавеющей стали, теплоизолированы, с за­щитным покрытием изоляции оцинкованной сталью. Сто­имость гелиоустановок до 700 дол.

Показатели работы гелиоустановки площадью 6 м2 в условиях юга России приведены на рис. 3.28. При этом потребность одного человека в горячей воде принята рав­ной 50 л в день. Как видно, гелиоустановка обеспечивает суточную потребность семьи из четырех человек без теп­лового дублера в межотопительный период с 15 апреля по 15 октября и требует догрева от традиционного источника в остальное время.

В России комплектные гелиоустановки малыми партиями выпускают Ковровский механический за­вод (г. Ковров, Владимирская обл.), фирма «Конкурент» (г. Жуковский, Московская обл.), НПО машиностроения (г. Реутово, Московская обл.). Гелиоустановка Ковровского механического завода состоит из двух солнечных коллек­торов и прямоугольного бака вместимостью 160 л. Сол­нечные коллекторы имеют теплопоглощающую панель из латунной трубки со стальным оребрением, окрашен­ную селективной краской. Стекло — обычное, толщиной 3 мм. Материал теплоизоляции — полости из пергами­на. Корпус выполнен из стального профиля. Масса кол­лектора 24 кг. Бак изготовлен из стали толщиной 3 мм с лакокрасочным покрытием, теплоизолирован полисти-

ролом. Эта гелиоустановка работает по одноконтурной схеме. Бак оснащён регулятором подпитки и распреде­лителем нагретой воды, поступающей от коллекторов. В комплект поставки входят опорные конструкции кол­лекторов, бак, соединительные шланги, крепёжные изде­лия. Общая масса гелиоустановки — 150 кг. Стоимость в комплекте на 2001 г. — 500 дол. (301 дол./м2).

В 1988 г. были выполнены эксплуатационные испыта­ния малой гелиоустановки КМЗ в натурных условиях г. Краснодар. При этом применялись следующие приборы: термометры (ртутные и контактные электронные), пироно­метр М-80М с гальванометром. Режим работы — без водо­разбора в течение суток. Количество воды в баке 120 л. Вре­мя проведения испытаний: август-октябрь. В результате обработки результатов испытаний установлено следующее: — фактический КПД гелиоустановки составляет 45-67 %;

— максимальное значение температуры в верхней ча­сти бака составило 47,2 °С, что ниже расчётного значения (55 °С) и объясняется несовершенной кон­струкцией узла подачи нагретой воды в бак;

— в течение ночного времени вода в баке охлаждалась до первоначального значения (+20 °С) в результате «опрокидывания» циркуляции.

Учитывая приведенные данные, заводу-изготовителю рекомендовано уменьшить гидравлическое сопротивление трубопроводов между коллекторами и баками; заменить распределение воды из коллекторов врезкой специально­го патрубка для организации термосифонной циркуля­ции; установить на трубопроводе после коллекторов обрат­ный клапан; усовершенствовать дизайн гелиоустановки; укомплектовать бак указателем уровня и дублирующим электронагревателем.

Фирма «Конкурент» (с 2001 г. «Радуга-Ц») выпускала гелиоустановку «Радуга-2М», состоящую их двух коллек­торов и бака вместимостью 200 л. Солнечные коллекторы размерами 1830x630x100 мм имели сварную теплопогло­щающую панель из нержавеющей стали с селективным покрытием, стекло — упрочнённое с низким содержани­ем железа. Теплоизоляция выполнялась из базальтового фольгированного волокна, пенополиуретана. Корпус и тыльная сторона коллектора изготовлялись из алюминие­вых сплавов. Прямоугольный бак выполнялся из нержаве­ющей стали, теплоизолировался пенополиуретаном, имел встроенную панель, в которую поступал теплоноситель от солнечных коллекторов (двухконтурная схема). Бак обо­рудовался регулятором подпитки, электронагревателем мощностью 1,6 кВт и терморегулятором с диапазоном регулирования от 10 до 90 °С. В комплект поставки вхо­дили опорная конструкция коллекторов, соединительные шланги, крепежные изделия. Общая масса гелиоустанов­ки 83,5 кг, стоимость в комплекте 950 дол. (450 дол./м2).

Производительность гелиоустановки в день (по данным из­готовителя) в условиях Москвы до 170 л, Краснодара — до 200 л. Продолжительность нагрева воды с 16 до 50 °С в яс­ный солнечный день 6-6,5 ч (при использовании электро­нагревателя 5,5-6 ч). Данные испытаний в натурных условиях не опубликованы. В настоящее время фирмой « Радуга-Ц» указанные гелиоустановки не выпускаются.

НПО машиностроения выпускало одноконтурные ге­лиоустановки производительностью 80 л (один коллектор) и 120 л (два коллектора). Установки одноконтурные. Кол­лекторы двух видов, различающиеся материалом теплопо­глощающей панели: из нержавеющей стали и алюминия. В настоящее время выпускаются только солнеч­ные коллекторы размерами 2007x1007x100 мм с те­плопоглощающей панелью из алюминия марки АД-31, стекло упрочненное, толщиной 4 мм, теплоизоля­ция — изовер (стекловолокно), корпус (обечайка) из алю­миниевого профиля, тыльная сторона теплоизоляции из оцинкованной стали. Масса коллектора 54 кг.

Гелиоустановки горячего водоснабжения, выпускае­мые зарубежными производителями, различаются кон­струкциями солнечных коллекторов, возможностью со­вмещения коллектора и бака в так называемых емкостных солнечных коллекторах, геометрической формой баков (вертикальные, горизонтальные), наличием теплового ду­блера и типом автоматики. В этих установках используются коллекторы как с металлическими теплопоглощающими панелями, так и с пластмассовыми, например, с панелью из полипропиленового проката с горизонтальным баком (фирма Wulfing+ Hauck, Германия). Наибольшим разноо­бразием конструкций гелиоустановок горячего водоснаб­жения бытового назначения характеризуется рынок США. В США применяются солнечные коллекторы площадью 0,9-2,3 м2 с теплопоглощающей поверхностью из нержаве­ющей стали, медных листов, труб с ребрами из различных материалов. Баки-аккумуляторы выполняются из нержа­веющей стали, с покрытием стеклоэмалью, анодированные алюминием, из стеклопластика вместимостью 72-305 л. Стоимость таких гелиоустановок 623-2777 дол./м2.

Объемы выпуска гелиоустановок определяются заинте­ресованностью потребителей, наличием государственного стимулирования, экономическими факторами. Общепри­знанно, что гелиоустановки, тем более малой производи­тельности, пока не могут быть конкурентоспособными тра­диционным источникам энергии. В Европе действуют две модели государственной поддержки развития энергетики. В основе британской модели — обязательные квоты на от­пуск энергии от альтернативных источников. Этой моде­ли придерживаются Франция и Ирландия, однако темпы развития нетрадиционной энергетики в этих странах зна­чительно ниже, чем в государствах, работающих по гер­манской модели. В Германии, Дании, Испании действуют гарантированные государственные дотации на реализацию проектов с использованием возобновляемых источников энергии. Анализ опыта сооружения гелиоустановок в Ис­пании свидетельствует о том, что в условиях наивысшего в Европе уровня солнечной радиации, отсутствия собствен­ных энергоресурсов и соответственно их большой стоимо­сти даже при относительно высоком уровне жизни насе­ления и наличии на рынке гелиооборудования ведущих производителей количество работающих гелиоустановок и площадь установленных солнечных коллекторов в стране незначительны. И только с принятием в 2001 г. закона о дотациях владельцам домов, имеющих гелиоустановки, до 40 % их стоимости резко увеличились объемы продаж. В Италии при аналогичном положении дел с внедрением ге­лиоустановок лишь предстоящее принятие новых государ­ственных мер стимулирования может изменить ситуацию. В России низкие цены на традиционные энергоносители не способствуют массовому применению гелиоустановок.

Для установки производительностью 200 л в день при стоимости замещаемой электроэнергии 1 руб./(кВт-ч) и ее работе только в летнее время в условиях юга страны срок окупаемости в среднем составляет около 10 лет. Вместе с тем при строительстве новых домов с интегрированными в них гелиоустановками целесообразность сооружения ге­лиоустановок не вызывает сомнения.

Анализ опыта разработки, сооружения и эксплуата­ции гелиоустановок большой производительности наибо­лее полно представлен в работах немецких специалистов, например [161]. Автором в статьях [162, 163] выполнен анализ опыта проектирования и эксплуатации аналогич­ных отечественных гелиоустановок. Согласно данным зарубежных исследователей с увеличением площади и соответственно производительности гелиоустановки её стоимостные показатели уменьшаются. Для отечествен­ных гелиоустановок имеет место существенный разброс значений указанного показателя, что обусловливает необ­ходимость дополнительных исследований.

Солнечно-топливные котельные имеют более высокие экономические показатели по сравнению с другими гели­оустановками. Их анализ представлен в работе института «ЦНИИЭПИО» [164]. Разработкой солнечно-топливных котельных в Ташкенте занимались Т. И.Крюкова, С. А.Насонов [165, 166].

Исследование вопросов применения гелиоустановок с воздушными коллекторами в условиях России приведено в работах [167, 168].

21.1. ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ

Суммарная площадь солнечных коллекторов гелиоу­становок, действующих в мире, оценивается в 71,3 млн м2

[106] . В европейских странах к концу 2000 г. действовало 11,7 млн м2 солнечных коллекторов, и в соответствии с про­гнозом Европейского Союза к концу 2010 г. их количество должно возрасти до 100 млн м2. В США эксплуатируется 20 млн м2 солнечных коллекторов. По площади солнечных коллекторов в расчёте на одного человека на первом месте в мире Кипр — 0,8 м2. Там более 90 % жилых домов и 50 % гостиниц оборудовано гелиоустановками. На втором ме­сте Израиль — 0,6 м2/чел., на третьем США — 0,4 м2/чел.

[107] . Наибольшими темпами гелиоустановки развивают­ся в Европе. Ежегодный прирост составляет 20 %. По ко­личеству установленных солнечных коллекторов лидиру­ет Германия — 3100 тыс. м2, на втором месте Греция — 2560 тыс. м2, на третьем Австрия — 1646 тыс. м2, на четвёртом Франция — 674 тыс. м2 [108, 109]. Если в 1994 г. в Герма­нии ежегодно строились гелиоустановки площадью кол­лекторов 150 тыс. м2, то в 2001 г. их было построено 900 тыс. м2 [110]. 450 тысяч домовладельцев имеют здесь гели­оустановки горячего водоснабжения и отопления с общей площадью солнечных коллекторов 2000 тыс. м2[111]. В Европе самая большая гелиоустановка построена в Дании. Площадь солнечных коллекторов первой её очереди 9000 м2; с вводом в действие второй очереди она увеличится до 18000 м2 [111, 112]. В Швеции в г. Фалькенбург в 1997 г. сооружена гелиоустановка с сезонным аккумулированием с площадью солнечных коллекторов 5000 м2 [113]. В этой стране эксплуатируется восемь таких установок. В Гер­мании по программе «Solarthermie-2000» построено семь больших гелиоустановок с сезонным аккумулированием [114], в том числе первая очередь гелиоустановки с площа­дью солнечных коллекторов 2800 м2 в г. Фридрихсхавен. Наиболее совершенная система оценки качества выпускае­мого оборудования для гелиоустановок существует в Гер­мании. Так, компания Solarpraxis Supernova AG постоян­но исследует 200 фирм по вопросам качества производства солнечных коллекторов различных конструкций, монта­жа и обслуживания гелиоустановок [115].

Для солнечного отопления двухэтажного коттеджа об­щей площадью 400 м2 выполнены расчёты для условий солнечной радиации в г. Геленджик. При определении те­плопроизводительности гелиоустановки принят КПД сол­нечного коллектора 60 %, площадь коллектора 230 м2, ори­ентация южная, угол наклона коллектора к горизонту 30°.

На рис. 3.27 представлено соотношение расчётных зна­чений количества тепловой энергии, необходимой для ото­пления коттеджа в течение каждого месяца отопительно­го сезона, и количества тепловой энергии, получаемой от гелиоустановки на кровле здания.

Как следует из рисунка, наибольшая потребность для отопления коттеджа в январе — 10,7 МВт-ч. За этот месяц гелиоустановка выработает 6,4 МВт-ч или 60 % от потреб­ности. Полностью обеспечиваются отопительные нагрузки в октябре, ноябре, марте, апреле. В то же время из рисунка следует, что в летний период данная гелиоустановка будет иметь избыточную производительность в 20-30 раз превы­шающую потребность в горячем водоснабжении. При этом отопительная гелиоустановка требует наличия дополни­тельного теплового дублёра.

С учётом действующих в 2005 г. цен на энергоносители, оборудование и материалы срок окупаемости отопитель­ной гелиоустановки составит 25 лет.

Для населённых пунктов юга России в отопительный период характерно такое изменение температуры наруж­ного воздуха, когда в дневное время его положительные значения совпадают с максимальным для данных суток уровнем солнечной радиации, а отрицательные темпера­туры наблюдаются ночью. В этих условиях воздушные си­стемы солнечного отопления без аккумулирования тепла будут востребованы производственными зданиями с одно-

сменным режимом работы, что подтверждается данными фирмы «Grammer», а также применением новых систем вентиляции по методу вытеснения.

Перспективы развития гелиоустановок, в том числе и воздушных, определяются экономической заинтересован­ностью потребителей, мерами государственного стимули­рования, экологическими факторами. Общепризнанно, что при существующем уровне цен в мире на органическое топливо (в России ещё ниже) гелиоустановки не могут быть конкурентоспособными традиционным энергоисточникам без государственной поддержки.

С учётом изложенного можно сделать следующие выво­ды. Основными объектами использования воздушных ге­лиоустановок без аккумулирования тепла в условиях юга России следует считать промышленные здания. В ближай­шие годы в России следует ожидать сооружения отдельных воздушных гелиоустановок, анализ опыта эксплуатации которых позволит определить перспективы их дальнейше­го развития.