Category Archives: ВОПРОСЫ ТЕОРИИ. И ИННОВАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ. ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГЕЛИОУСТАНОВОК

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-

п/п

Наименование

Стоимость гелио­установки, дол.

Стоимость сооружения замещаемого традици­онного энергоисточни­ка, дол.

Расчётное сезонное количество выработан­ной тепловой энергии, кВт-ч

Стоимость тепловой энергии, вырабатывае­мой гелиоустановки, ДОЛ.

Срок экономичес-кой окупаемости, лет

1

г. Анапа, база отдыха «Рассвет», душевые

5714

1393

20406

653

6,6

г. Анапа, база отдыха «Ладога»:

3071

928,6

10203

326

6,6

2

— столовая;

5214

1392,9

20406

653

5,9

— душевые;

— прачечная

5429

1392,9

20406

653

6,2

г. Новороссийск,

3

база отдыха «Лесная

7250

2785,7

28242

904

4,9

поляна», столовая и

душевые

4

г. Темрюк, детсад « Колокольчик »

2750

928,6

15576

498

3,7

5

г. Анапа, база отдыха «Элита»:

4786

1160,7

11050

354

10,2

— столовая;

4857

1160,7

11050

354

10,4

— душевые

6

Курортный комплекс «Инал», база отдыха

5679

1625

15138

484

8,4

« Кубаньбургаз »:

6143

1625

18270

585

7,7

— столовая;

— душевые

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-

Таблица 3.31.

Сопоставление затрат энергии на изготовление гелиоустановок и их энергопроизводительности

Удельная материалоём­кость, кг/м2/%

Энергоёмкость, кВт ч

Удельная энергоёмкость, (кВт-ч/м2)/%

Срок окупаемости энергетический/экономи — ческий, лет

п/п

Наименование

гелиоустановки

общая

солнечных

коллекторов

металлоконструк­ций, трубопроводов, бака-аккумулятора

общая

солнечных

коллекторов

металлоконструк­ций, трубопроводов, бака-аккумулятора

общая

солнечных

коллекторов

металлоконструк­ций, трубопроводов, бака-аккумулятора

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

г. Анапа, база

1

отдыха

158.4

31.2

127.2

188532

107388

81144

4961

2826

2135

9,2/6,6

«Рассвет»,

100,0

19,7

80,3

100

63,4

36,6

душевые

г. Анапа, база

отдыха

«Ладога»:

140.8

зі а

109.5

126489

94259

32230

6657

4961

IfiQfi

12,4/6,6

2

— столовая;

100,0

22,2

77,8

100

79,6

20,4

136.5

31 .я

105.3

169609

107388

62221

4463

ЯЯЯЯ

1637

8,3/5,9

— душевые;

100,0

22,9

77,1

100

69,3

30,7

170.7

31 .я

139.5

189758

107388

82370

4QQ4

яяяя

Я1ДЯ

9,3/6,2

— прачечная

100,0

18,3

81,7

100

63,1

36,9

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».

СОЛНЕЧНО-ТОПЛИВНЫЕ КОТЕЛЬНЫЕ

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.

л єгсР(*2-*і)-ДЄХ

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.

ГЕЛИОУСТАНОВКИ БОЛЬШОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

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-

Рис. 3.34.

Схема трубопроводов гелиоустановки корпуса санатория им. Фрунзе в г. Сочи:

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

Наимено­

вание

гелио­

установки

Количе­ство/ пло­щадь СК, шт./м2

Изготовитель

СК

Средняя расчётная дневная производи­тельность (максималь — ная/мини — мальная), м3

Количе­ство И емкость баков — аккуму­ляторов, м3

Год

строи­

тельства

Размеще­ние СК

Краснодар,

издатель­

ство

«Советская

Кубань*

432/260

«Спецгелио­

тепло­

монтаж»,

Грузия

12,5/5,2

5×4

1989

Кровля

Тимашевск,

котельная

340/326

«Сибтепло — маш* Братск

23,0/9,5

2×75

1989

Кровля,

навесы

Сочи, санаторий им. Фрунзе

92/198,7

«AMCOR*

Израиль

17,3/3,0

2×8

2×4

проект

Навес над кровей

Краснодар,

городской

рынок

102/220

«AMCOR*

Израиль

17,2/7,1

2×20

проект

Кровля

Тихорецк, локомотив­ное депо

120/96

Ковровский

механический

завод

7,5/3,1

2×6

2001

Кровля

(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-

Стоимость гелиоустанов­ки, дол.

Составляющие общей стоимости гелиоустановки,

Й

О

и

vP

0s-

общая

удельная в расчёте наїм2

удель­ная в расчёте на 1 м3

солнечные

коллекто­

ры

баки-

аккумуля­

торы

пиковые догреватели с насосами

металлокон­струкции и трубопроводы

прочие

расходы

Краснодар,

издательство

«Советская

Кубань»

30500

117,3

2440

13300/43,6

8000/26,2

8200/26,9

1000/3,3

Тимашевск, котель­ная

24800

76,1

1078

15300/61,7

Сущ.

Сущ.

8500/34,3

1000/4,0

Сочи, санаторий им. М. В.Фрунзе:

— с коллекторами

77300

388,4

4468

41000/53,0

2000/2,6

5000/6,4

27800/36,0

1500/2,0

«AMCOR»;

— с коллекторами КМЗ

52900

266,0

1902

16600/31,4

2000/3,8

5000/9,5

27800/52,5

1500/2,8

Краснодар, городской рынок:

— с коллекторами

66150

300,7

3846

45350/68,6

3000/4,5

5200/7,8

11100/16,8

1500/2,3

«AMCOR»;

— с коллекторами КМЗ

39150

178,0

2276

18350/46,9

3000/7,7

5200/13,3

11100/28,3

1500/3,8

Тихорецк, локомотив­ное депо

15800

164,6

2107

8000/50,6

1000/6,3

Сущ.

5800/36,8

1000/6,3

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

Наименование

гелиоустановки

Стоимость гелиоуста­новки, дол.

Стоимость сооружения замещаемого традици­онного источника анергии, дол.

Расчетное сезонное количество выработан­ной тепловой энергии, кВт-ч

Стоимость тепловой энергии выработанной гелиоустановкой, дол.

Срок экономической окупаемости, лет

Краснодар, издательство «Советская Кубань»

30 500

6500

98 509

3251

7,4

Тимашевск, котельная

24 800

8150

180 265

5949

2,8

Сочи, санаторий им. М. В.Фрунзе:

— с коллекторами «AMCOR»;

— с коллекторами КМЗ

77 300 52 900

5000

5000

167160

167160

5516

5516

13,1

8,7

Краснодар, городской рынок:

— с коллекторами «AMCOR»;

— с коллекторами КМЗ

66150

39150

5200

5200

135 168 135 168

4461

4461

13,7

7,6

Тихорецк, локомотивное депо

15 800

3000

60 307

1990

6,4

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.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЕЛИОУСТАНОВОК

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.

Месяцы года

Рис. 3.29.

Суммарная интенсивность солнечной радиации в плоскости коллек­тора при углах наклона к горизонту:

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°.

СЕВЕР ВОСТОК ЮГ ЗА ПАД СЕВЕР

Рис. 3.30.

Суммарная интенсивность среднемесячной радиации в плоскости солнечного коллектора при угле наклона 30° к горизонту при раз­личной его азимутальной ориентации для г. Краснодар

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].

МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ СООРУЖЕНИЯ ГЕЛИОУСТАНОВОК

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.

АНАЛИЗ МЕТОДИК ЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА 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].

НАЛАДОЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

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].

АНАЛИЗ РОССИЙСКОГО РЫНКА

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].

ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

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].

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕЛИОУСТАНОВОК

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-

Рис. 3.27.

Расчетные значения количества тепловой энергии, необходи­мой на отопление коттеджа, и тепловой энергии, выработанного гелиоустановкой

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.