Отопительные воздушные гелиоустановки подразде­ляются на пассивные и активные. В пассивных воздуш­ных гелиоустановках поглощение поступающей через стекло южных фасадов солнечной энергии и её аккуму­лирование осуществляется конструкциями здания или стеклянной теплоаккумулирующей стеной (стена Тром­ба). Движение нагретого воздуха осуществляется за счет естественной циркуляции. Пассивные системы просты, недороги. Возможности их применения ограничены вновь строящимися зданиями с рядом дополнительных требований [104].

Активные воздушные гелиоустановки лучше интегри­руются в конструкции здания, легче автоматизируются, но они существенно дороже пассивных.

Общий вид активной воздушной гелиоустановки пред­ставлен на рис. 3.23, принципиальная схема на рис. 3.24. На рис. 3.25 приведены схемы воздушных гелиоустановок.

Определенное распространение получили гелиоуста­новки с приточными воздушными солнечными коллек­торами с пористой поглощающей панелью (рис. 3.26). В Канаде и США построено 34 гелиоустановки с такими кол­лекторами общей площадью 32,4 тыс. м2, в том числе для производственного здания в Монреале (Канада) площадью 10 тыс. м2 [105].

Рис. 3.25.

Схемы воздушных гелиоустановок

Рис. 3.26.

Приточный воздушный солнечный коллектор с пористой поглощающей панелью

Конструктивно воздушный солнечный коллектор со­стоит из тех же основных частей, что и жидкостной: погло­щающей панели, прозрачной изоляции, теплоизоляции и корпуса. На рис. 3.22 приведены основные виды конструк­ций воздушного солнечного коллектора.

Ведущий европейский производитель данных коллекто­ров фирма «GRAMMER» выпускает коллекторы с размера­ми 1000x2500x175 мм с поглощающей панелью из стали. Вес коллектора — от 28 до 32 кг/м2 в зависимости от модифи­кации. Расчетный расход воздуха через коллектор состав­ляет 60 м3/(м2ч) при суммарной солнечной радиации 700 Вт/м2 и разнице температур воздуха на входе и выходе 35 К.

Ковровским механическим заводом разработана кон­струкция и выпущена опытная партия воздушных сол­нечных коллекторов со следующими характеристиками: габаритные размеры 1000x985x225 мм; площадь по­глощающей панели 2,8 м2, материал поглощающей пане­ли — сталь СтЗ, прозрачная изоляция — стекло толщиной 3 мм, теплоизоляция — полости из пергамина толщиной 50 мм, соединение коллекторов — фланцевое.

Два таких коллектора, соединенных последовательно по движению воздуха, были испытаны летом 1999 г. ин­ститутом «Ростовтеплоэлектропроект» в натурных усло­виях г. Таганрог. При интенсивности солнечной радиации 841-1027 Вт/м2, температуре воздуха на входе в коллектор 27-36 °С и его нагреве на 0,2-6,8 °С максимальный КПД коллектора, равный 53-54 %, получен при скоростях ве­тра 1,2-2,0 м/с. Для зимних условий в связи с увеличени­ем тепловых потерь в окружающую среду значение КПД прогнозируется 25-30 %.

На основании полученных данных выполнена и при­нята к реализации проектная документация воздушных гелиоустановок:

— 20-ти воздушных солнечных коллекторов (разработ­чик институт «Ростова лектропроект») для отопления бы­товых помещений в Таганроге;

— 5-ти солнечных коллекторов (под руководством авто­ра) для отопления административного помещения в Буда­пеште (Венгрия).

Зарубежный опыт свидетельствует, что наряду с жид­костными гелиоустановками определенное распростране­ние получили воздушные солнечные установки.

Выбор теплоносителя для гелиоустановок определяется рядом факторов, подробно рассмотренных Б. Андерсоном, основными из которых являются вид тепловой нагрузки (отопление, горячее водоснабжение), стоимость солнечно­го коллектора, энергозатраты на функционирование гели­оустановки. По совокупности расходов на сооружение и эксплуатацию воздушные гелиоустановки могут быть кон­курентоспособными жидкостным гелиоустановкам, как правило, при обеспечении отопительных нагрузок.

Определяющей составляющей в эксплуатационных расходах воздушных гелиоустановок являются затраты на циркуляцию воздуха. Удельная теплоёмкость возду­ха — 0,24 ккал/(кг-К), воды — 1 ккалДкг-К), плотность воз­духа при обычных условиях 1,2 кг/м3, воды — 1000 кг/м3. Для переноса от солнечных коллекторов одного и того же количества тепловой энергии потребуется 30 кг воды или 120 кг воздуха. Стоимость воздушного солнечного коллек­тора составляет 50-70 % стоимости жидкостного при рав­ных площадях теплопоглощающей панели.

В Европе крупнейшим производителем воздушных гелиоустановок является фирма GRAMMER (Германия). При общей площади 8100 м2 смонтированных до 1995 г. этой фирмой воздушных гелиоустановок они распреде­лялись по объектам следующим образом, %: производ­ственные здания — 53,4, коммунальные здания — 22,8, плавательные бассейны — 12,9, жилые многоквартирные дома — 7,9, энергетические фасады — 2,4, жилые одно­квартирные дома — 0,6.

В результате обобщения многолетнего опыта эксплуа­тационных испытаний нескольких тысяч солнечных кол­лекторов различных производителей в 1989 г. был выпол­нен анализ патентных исследований, а также разработан проект технического задания на конструкцию солнечного коллектора для систем солнечного теплоснабжения. Дан­ный проект содержал следующие требования к конструк­ции коллектора:

— теплопоглощающая листотрубная панель площа­дью 1,5-2,5 м2 с трубками из коррозионностойких материалов. Материал листа определяется техноло­гией соединения с трубками. Удельный объем кана­лов панели 1,5-2,3 л/м2. Покрытие — селективное лакокрасочное;

— прозрачная изоляция с пропускательной способ­ностью 0,9, содержание железа низкое, толщина 2-4 мм;

— тепловая изоляция с удельной массой 30 кг/м3, об­щий коэффициент тепловых потерь 5,8 Вт/(м2 ч-К), максимальная температура нагрева 100 °С, отсут­ствие токсичных компонентов при нанесении и эксплуатации;

— корпус из коррозионностойких материалов, жест­кий и технологичный.

После утверждения указанного технического задания в 1990 г. была разработана конструкторская документация, изготовлена опытная партия (три модификации солнечно­го коллектора) и выполнены натурные испытания на спе­
циально сооруженном стенде. Все коллекторы имели раз­меры 800x2000x100 мм и по 2 патрубка для теплоносителя. Корпусы выполнялись из алюминиевого профиля ПАС — 154. На рис. 3.21 приведены модификации конструкций солнечных коллекторов, различающихся материалами, конфигурацией и сечением теплопоглощающих панелей:

№ 1 — алюминиевый лист со змеевиком из медной труб­ки диаметром 18 мм;

№ 2 — алюминиевый лист с решеткой из латунной труб­ки с диаметрами 16 мм и 25 мм;

№ 3 — алюминиевый лист с трубчатой решеткой из не­ржавеющей стали с диаметрами 16 и 42 мм.

Рис. 3.21.

Солнечные коллекторы конструкции Краснодар­ской лаборатории АКХ

Поверхность поглощающей панели покрывалась се­лективной черной краской, применяемой ППО «Спецге­лиотепломонтаж» (Тбилиси). В качестве теплоизоляции применен пенопласт толщиной 40 мм, защитный слой — из гетинакса. Стекло толщиной 4 мм герметизировалось резиной.

На основании исследований, содержание которых изло­жено в предыдущих разделах данной главы, разработана следующая концепция солнечного коллектора. При соот­ветствии теплотехнических характеристик, срока службы и иных параметров солнечного коллектора государствен­ному стандарту, его оптимальная конструкция должна быть конкурентоспособной традиционным энергоисточни­
кам по стоимостным и энергетическим характеристикам. В частности, количество энергии, выработанное за срок службы коллектора с учетом ее энергетической ценности, должно существенно превосходить количество энергии, за­траченное на его изготовление и эксплуатацию.

С 1996 г. совместно с Ковровским механическим заво­дом ведется работа по совершенствованию конструкции плоского жидкостного солнечного коллектора с учетом установленных аналитических зависимостей. В 1999 г. реа­лизована и запущена в производство модификация солнеч­ного коллектора № 3. В данной модификации изменены следующие элементы и детали базовой модели:

— в конструкции поглощающей панели взамен на­плавленных на латунные трубки алюминиевых ре­бер применены листовые стальные штампованные с соединением методом контактной сварки. При сни­жении КПД поглощающей панели на 2,5 % ее стои­мость уменьшилась на 52 %;

— теплоизоляция из пенополиуретана заменена на пустотелые короба из пергамина. При увеличении тепловых потерь коллектора на 18,8 %, стоимость теплоизоляционной конструкции уменьшилась в 3 раза;

— при изменении конструкции крепления стекла в корпусе с уменьшением количества болтовых соеди­нений в 7 раз стоимость данного узла сократилась на 50 %, а количество повреждений стекла при эксплу­атации уменьшилось на 30 %.

Таким образом, в соответствии с разработанными мето­дическими принципами и аналитическими зависимостя­ми Ковровским механическим заводом освоен выпуск кон­струкции солнечного коллектора, имеющей оптимальное для российского рынка соотношение стоимостных и энер­гетических показателей, эксплуатационные испытания которой подтвердили основные расчетные параметры.

В СССР около 80 % всего количества солнечных коллек­торов производилось на заводах «Сибтепломаш» (Братск) и «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси). На рис. 3.20 пред­ставлены результаты анализа коррозионных повреждений первых партий коллекторов завода «Сибтепломаш» с не-

завода « Сибтепломаш »: 1,3- с неселективным; 2 — с селективным покрытием; завода « Спецгелиотепломонтаж »: 4,5 — с неселективным покрытием

селективным покрытием на примере солнечно-топливной котельной в г. Анапа [92].

Причинами высокой повреждаемости солнечных кол­лекторов являлись неудачная конструкция прозрачной изоляции и неустойчивость лакокрасочного покрытия корпуса к условиям морского климата. В данных коллек­торах применялось стекло толщиной 5 мм, не выдержива­лись его зазоры в корпусе, герметизация была выполнена полимеризующейся мастикой (герленом). Коррозионные повреждения теплопоглощающих панелей происходили из-за попадания атмосферной влаги через трещины стекла, намокания теплоизоляции (минеральной ваты) и после­дующего воздействия ее на металл поглощающей панели. В Краснодарском крае из 900 шт. солнечных коллекторов
братского завода с лакокрасочным покрытием теплопогло­щающей панели, установленных в 1987-1990 гг., в настоя­щее время в эксплуатации не осталось ни одного коллек­тора. Их фактический срок службы составил, в среднем, 5 лет. Дефекты коллекторов завода «Сибтепломаш» с се­лективным покрытием «черный хром» и усовершенство­ванной прозрачной теплоизоляцией (толщина стекла 4 мм, уменьшены зазоры между стеклом и корпусом), имеют разный характер при анализе за 2 года и за 12 лет наблюде­ний (на примере солнечно-топливной котельной в г. Тима — шевск) [93]. Повреждения лакокрасочного покрытия кор­пуса в условиях отсутствия воздействия морского климата свидетельствует о его низком качестве. Теплоизоляции смещена в нижнюю часть корпуса и намокает из-за неплот­ности крепления стекол (полимеризация и растрескивание уплотнительной мастики). Данный коллектор по факти­ческому сроку службы не соответствовал стандарту СССР [24]. В настоящее время в Краснодарском крае эксплуати­руется только одна гелиоустановка в г. Тимашевск, имею­щая 342 солнечных коллектора с селективным покрытием завода «Сибтепломаш», разработанная и построенная под руководством автора этой книги.

На рис. 3.20 также представлены результаты анализа повреждений за 2 года и 12 лет эксплуатации солнечных коллекторов завода «Спецгелиотепломонтаж» (Тбилиси) с неселективным покрытием (черная эмаль с добавлением сажи) на примере гелиоустановки в Краснодаре. Данные коллекторы имеют корпус с обечайкой из алюминиевого профиля, при этом тыльная сторона теплоизоляции выпол­нена из фанеры толщиной 4 мм, что и определило их мас­совые повреждения уже через 3 года. Соответственно по­вреждалась и теплоизоляция — пенопласт, который к тому же деформировался от нагрева с уменьшением толщины на 20 % в местах контакта с корпусом. Коррозионные повреж­дения теплопоглощающих панелей являлись следствием проникновения влаги через трещины в стекле. С учетом изложенного, по фактическому сроку службы данная кон­струкция также не соответствует стандарту [24]. В Красно­дарском крае в 1988-1992 гг. было установлено 7700 шт. (4620 м2) коллекторов завода «Спецгелиотепломонтаж», из которых в 2002 г. работало 2640 шт. (1584 м2), что со­ставляет 34,3 %.

Из российских производителей солнечных коллек­торов в Краснодарском крае наиболее широко с 1994 г. представлен Ковровский механический завод (КМЗ), кол­лекторы которого разработаны ведущим конструктором А. А.Лычагиным, испытаны на стенде Энергетическо­го института им. Кржижановского под руководством Б. В.Тарнижевского. Они выпускались в следующих модификациях:

— № 1 с поглощающей панелью из латунных трубок с литыми алюминиевыми ребрами, корпусом из ста­ли, теплоизоляцией листовым пенополиуретаном в полиэтиленовой оболочке, стеклом с креплением угловым алюминиевым профилем (1994-1997 гг.);

— № 2 с поглощающей панелью из латунных тру­бок со стальными ребрами, остальные конструк­тивные решения аналогичны модификации №1; (1998 г.);

— № 3 с поглощающей панелью из латунных трубок со стальными ребрами, стальным корпусом, теплоизо­ляцией из полостей пергамина, с покрытием тыль­ной стороны окрашенными древесно-волокнистыми плитами, стеклом с креплением плоскими планка­ми (1999-2002 гг.)

В соответствии с договором о сотрудничестве между КМЗ и Краснодарской лабораторией энергосбережения и нетрадиционных источников энергии Академии комму­нального хозяйства (Москва) с 1995 г. проводились эксплу­атационные испытания всех моделей коллекторов завода в натурных условиях. При обследовании 1230-ти солнечных коллекторов модели № 1, работающих с 1995 г. установле­но следующее:

— теплопоглощающие панели имеют незначительный процент (менее 1 %) выхода из строя, срок службы лакокрасочного покрытия не превышает 5 лет (вы­горание, отслаивание от алюминиевых ребер);

— до 10 % повреждений стекол (не выдержаны зазоры, некачественное стекло), 28 шт. болтовых соедине­ний крепления стекла на одном коллекторе затруд­няют его замену;

— некачественное лакокрасочное покрытие корпу­са коллекторов, особенно тыльной стороны те­плоизоляции (50-60 % повреждений после 5 лет эксплуатации);

— отсутствие элементов крепления коллекторов к опорным металлоконструкциям; низкое качество резинотканевых патрубков и хомутов (до 30 % повреждений).

С учетом изложенного Ковровским заводом с участием автора были разработаны новые конструкции солнечных коллекторов № 2, 3. При обследовании 650-ти коллекторов модели № 3 за период с 1999 г. установлено следующее:

— эксплуатационные испытания не выявили суще­ственного снижения КПД (более 5 %);

— теплопоглощающие панели со стальными ребрами не имеют повреждений лакокрасочного покрытия;

— количество повреждений стекла незначительно (до 1 % );

— отсутствуют повреждения лакокрасочного покры­тия стальных элементов корпуса;

— на отдельных коллекторах отмечено отвисание пер­гамина на тыльной стороне теплоизоляции.

Приведенные материалы обследования солнечных кол­лекторов Ковровского завода имеют малый срок наблюде — ний (до 7 лет) и не позволяют сделать обоснованное заклю­чение о соответствии российскому стандарту [34].

В результате проведенного анализа можно сделать сле­дующие выводы:

1. Для выполнения одного из основных требований государственного стандарта — заданного срока службы сол­нечных коллекторов — необходимы систематические на­блюдения за их эксплуатацией и обработка результатов по определенной методике.

2. Эксплуатационные испытания в течение не менее 10 лет солнечных коллекторов, выпущенных основными производителями СССР, показали, что фактический срок службы коллекторов ниже требуемого по стандарту СССР и заводского паспортного.

3. Обработка данных многолетних испытаний солнеч­ных коллекторов различных производителей позволили установить следующие требования к их основным кон­структивным элементам:

— теплопоглощающая панель и корпус должны быть выполнены из коррозионностойких материалов;

— при площади коллектора до 1 м2 оправдано приме­нение оконного стекла толщиной 3 мм. При его кре­плении должны быть выдержаны зазоры для тепло­вого расширения;

— материал теплоизоляции коллектора при намока­нии не должен проявлять коррозионных свойств по отношению к материалам поглощающей панели и корпуса;

— резинотканевые и резьбовые (стальные) соедине­ния коллектора между собой не обеспечивают их герметичности;

4. Среди солнечных коллекторов российских произ­водителей высокими эксплуатационными показателями обладают коллекторы Ковровского механического заво­да (модель № 3). Стандартный срок службы этих коллек­торов может быть обеспечен при выполнении корпуса из коррозионностойких материалов и усовершенствования узлов соединения патрубков.

Предельное значение удельной себестоимости солнеч­ного коллектора определяется по формуле

Кск=гСкЕпТСт’ (ЗЛЗ)

где Кск — удельная себестоимость солнечного коллектора, руб.; г|ск — КПД солнечного коллектора; Е — интенсивность суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора, кВт/м2; п — число часов работы в течение года, ч/год; Т — срок окупаемости, год; Ст — стоимость замещаемой тепло­вой энергии, руб./кВт-ч. При этом КПД солнечного кол­лектора выражается уравнением Даффи-Бекмана

где Fr — коэффициент отвода тепла из коллектора; х — про — пускательная способность прозрачного ограждения по от­ношению к солнечному излучению; а — поглощательная способность панели коллектора по отношению к солнечно­му излучению; UL — полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м2°С); t. — температура жидкости на входе в коллектор, °С; to — температура окружающей среды, °С.

Из формулы (3.13) следует, что предельное значение удельной себестоимости солнечного коллектора зависит от его КПД, интенсивности суммарной солнечной радиации, количества часов работы в течение года, заданного срока окупаемости и стоимости замещаемой энергии.

Для условий Краснодарского края установлена предель­ная себестоимость солнечного коллектора — 100 дол./м2, с учетом стоимости замещаемой энергии, сезонной эксплуа­тации для горячего водоснабжения и срока окупаемости 5 лет. В структуре себестоимости основная составляю­щая — приобретение энергоемких материалов (цветных металлов). Цена этих материалов в России сравнялась со средней мировой. В то же время стоимость замещаемой энергии в несколько раз ниже зарубежной.

Таким образом, стоимостный анализ конструкций сол­нечного коллектора дополнен показателем энергетической окупаемости:

Та=Ъ(тр)ск/гскЕп, (3.15)

где Тд — срок энергетической окупаемости, год; Ц/тг, Э;) ск — сумма произведений масс и энергоемкостей ма­териалов коллектора, кВт ч/м2.

В результате расчетных исследований в соответствии с формулами (3.14-3.15) и последующих стендовых испыта­ний совместно с Ковровским механическим заводом трех конструкций солнечного коллектора: 1) поглощающая па-

не ль из стального листа и латунных труб, прозрачная изо­ляция из оконного стекла, тепловая изоляция из воздуш­ной пергаминовой подушки; 2) такая же поглощающая панель и прозрачная изоляция, тепловая изоляция из пе­нополиуретана; 3) поглощающая панель из алюминиевого листа и латунных труб, такая же прозрачная изоляция и тепловая изоляция, установлено, что при увеличении КПД последней конструкции на 7-10 % по сравнению с осталь­ными ее удельная энергоемкость возросла на 57 %.

С 1996 г. Ковровским механическим заводом серийно выпускается новая конструкция солнечного коллектора, в которой для снижения удельной себестоимости теплоизо­ляция из пенополиуретана заменена на воздушную короб­ку из пергамина. При сравнительных испытаниях ранее выпускавшейся конструкции солнечного коллектора (по­глощающая панель из латунных трубок и алюминиевых ребер, тепловая изоляция из листового пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке толщиной 50 мм, стекло окон­ное 3 мм, корпус стальной) и новой, отличающийся только конструкцией тепловой изоляции (в следующих вариан­тах: без тепловой изоляции; коробка из пергамина с одной перегородкой; коробка из пергамина с двумя перегородка­ми, вкладыши в полости коробки из пергамина), установ­лено, что при замене пенополиуретана коробкой из перга­мина показатель тепловых потерь увеличился на 18,6 %, а удельная стоимость тепловой изоляции уменьшилась в три раза.

Прозрачная изоляция является конструктивным эле­ментом, в котором теряется наибольшее количество энер­гии солнечной радиации (от 40 до 60 %). Вопросы расчета и подбора материалов прозрачной изоляции, как показа­но ранее, достаточно полно исследованы. Имеющиеся ме­тодики с большей или меньшей степенью достоверности описывают сложные процессы теплообмена в прозрачной изоляции. Выбор определенного варианта конструкции и материалов прозрачной изоляции производится при сопоставлении стоимости изоляции и недополученной те­пловой энергии, теряемой в ней за расчетный срок службы. Совместно с КМЗ была изменена конструкция крепления стекла в корпусе с уменьшением количества болтовых со­единений в 7 раз, что позволило сократить на 50 % себе­стоимость данного узла и уменьшить количество повреж­дений стекла при эксплуатации на 30 %. Вышеуказанные технические решения прозрачной изоляции защищены патентом [102]. Для снижения стоимости корпуса тыльная сторона теплоизоляции из стального листа заменена окра­шенным ДВП. Данное решение также защищено патентом [103].

На основании расчетов с использованием формул (3.Із — S. 14) и результатов испытаний совместно с Ковровским механическим заводом была разработана и запущена в производство конструкция солнечного коллектора с опти­мальным соотношением для российского рынка цены и энергетической эффективности. При ее изготовлении энер­гоемкие материалы применялись в минимальном количе­стве. На январь 2005 г. выпущено и установлено на объ­ектах Краснодарского края 3000 шт. таких коллекторов. Разработанная конструкция имеет существенно меньшую цену и стоимость вырабатываемой тепловой энергии по сравнению с солнечными коллекторами зарубежных про­изводителей (см. рис. 3.19).

19.6.1. Экономическая и энергетическая эффективность

Экономическая целесообразность применения конкрет­ной конструкции солнечного коллектора определяется при сопоставлении его цены и стоимости выработанной им те­пловой энергии.

На рис. 3.17 представлены результаты сопоставления рыночных цен 28-ми конструкций солнечных коллекто­ров ведущих изготовителей Европы, Израиля, Австра­лии и стоимости производимой ими тепловой энергии при общих для всех коллекторов условиях сертификаци­онных испытаний (интенсивность суммарной солнечной радиации 800 Вт/м2, перепад температур теплоносителя и окружающего воздуха 40 К). При расчетах использо­ваны материалы словацкой фирмы TERMO/SOLAR. Уве­личение рыночной стоимости коллекторов отдельных производителей не всегда соответствует повышению их тепловой эффективности. Данный показатель позволяет также сравнивать солнечные коллекторы разных кон­струкций, например, с неселективным и селективным покрытиями.

В табл. 3.22 для шести стоимостных групп коллекторов различных производителей выделены два вида солнечных коллекторов с селективным и неселективным покрытием, для которых на рис. 3.18 приведено сопоставление стоимо­сти производимой тепловой энергии. При одинаковой сто­имости коллекторов нанесение селективного покрытия на

теплопоглощающую панель приводит к снижению удель­ной стоимости тепловой энергии от 21,4 % до 35,5 %.

В табл. 3.23 и на рис. 3.19 представлены результаты рас­четов удельной стоимости тепловой энергии, вырабатывае­мой различными конструкциями солнечных коллекторов в течение срока их службы. При этом удельная стоимость тепловой энергии определялась по формуле:

(1К _ — ГС-СК

"Т Qck пТ’

где К£к — стоимость солнечного коллектора по данным из­готовителя, дол./м2; Q£K — тепловая производительность, кВт-ч/м2, по материалам сертификационных испытаний при

стандартных условиях; п — число часов работы в течение года, п = 1800 ч/год; Т — период эксплуатации, Т = 10 лет.

Энергетическая характеристика солнечных коллек­торов Ковровского завода принята по данным испытаний Энергетического института им. Кржижановского (Москва).

При оценке эффективности солнечного коллектора по соотношению полезно полученной тепловой энергии и интенсивности суммарной солнечной радиации не учиты­ваются затраты энергии на его изготовление и эксплуата­цию. При прочих равных условиях более совершенный в теплотехническом отношении солнечный коллектор имеет теплопоглощающую панель из материала с высокой тепло­проводностью, совершенное селективное покрытие, энер­гоемкую теплоизоляцию.

Таким образом, для предварительной оценки тепло­технических характеристик солнечного коллектора до­статочно уравнения Хоттеля-Уиллера-Блисса, но для разработки новой конструкции необходимо сопоставлять количество энергии выработанное за расчетный срок служ­бы с ее энергоемкостью.

Стоимость солнечного коллектора определяется в пер­вую очередь его типом (плоский селективный, плоский не­селективный, вакуумированный трубчатый и т. д.). При близких энергетических характеристиках плоских селек­тивных коллекторов, выпускаемых фирмами стран Евро­пы, Израиля, Австралии их стоимость изменяется от 100 до 530 дол./м2. На примере Израиля (табл. 3.21) приведе­ны результаты сопоставления плоских селективных и не­селективных солнечных коллекторов по трем стоимост­ным группам [95].

М. И.Валов и Б. И.Казанджан установили, что тепло­техническое совершенствование солнечного коллектора не всегда окупается экономией замещаемого топлива при его эксплуатации [7, 96]. При повышении эффективности сол­нечного коллектора в три раза его удельная стоимость воз­растает в два-три раза. Известны работы по оценке стоимо­сти солнечного коллектора с учетом их фактического срока службы.

Сотрудниками «ВНИИГС» М. А.Барским и Т. Г.Макаренковой [97] выполнена оценка удельной се­бестоимости (в ценах 1984 г.) следующих конструкций солнечных коллекторов, руб./м2: завода «Сибтепломаш» со штампованной стальной теплопоглощающей панелью — 46,6; завода «Спецгелиотепломонтаж» со стальной тепло­поглощающей панелью — 56,7; того же завода с алюминие­вой панелью -42,7; завода «КиевЗНИИЭП» с алюминиевой панелью — 38,7; конструкции института «ЭНИН» с пане­лью из нержавеющей стали — 41,2.

Минимальное значение себестоимости имела конструк­ция института «КиевЗНИИЭП» — 38,7 руб./м2, максималь­ное — тбилисского завода со стальной теплопоглощающей панелью — 56,74 руб./м2.

Расчеты значений удельных затрат на изготовление и эксплуатацию солнечных коллекторов перечисленных конструкций при их работе в одинаковых климатических условиях с аналогичным покрытием теплопоглощающей панели с реальными (подтвержденными практикой) сро­ками службы позволили определить, что минимальны­ми значениями характеризуются коллекторы института «ЭНИН» — 6,9-6,4 руб./год (срок службы 15-18 лет), инс­титута «КиевЗНИИЭП» — 7,7-6,5 руб./год (срок службы 10-15 лет), максимальным — тбилисского завода со сталь­ной теплопоглощающей панелью — 34,2-17,1 руб./год (срок службы 2-5 лет).

Б. В.Тарнижевским сформулировано основное требо­вание к солнечному коллектору. Оно состоит в том, «что­бы производимое им тепло стоило возможно меньше. Это требование может быть удовлетворено, если срок службы коллектора достаточно велик, материалоемкость мала, а теплотехническая эффективность высока» [25].

Приведенные выше данные были использованы для раз­работки технического задания на изготовление солнечного коллектора для систем теплоснабжения и для его оптими­зации [98]. Результаты исследований по экономическим и энергетическим характеристикам солнечных коллекторов представлены в работах [99-101].

Таким образом, анализ конструкций и характеристик солнечных коллекторов позволил сделать следующие выводы:

1) для масштабного применения солнечных коллекто­ров в условиях России необходима разработка методоло­гии экономической и энергетической целесообразности их использования;

2) при совершенствовании отдельных элементов сол­нечных коллекторов целесообразна разработка методов их стоимостной оптимизации;

3) для российского рынка необходима разработка опти­мальной конструкции солнечных коллекторов по крите­рию цена — качество.

Одной из основных характеристик солнечного коллек­тора является его надежность — способность выполнять свои функции в течение установленного изготовителем срока службы. Согласно российскому стандарту [34] ми­нимальный срок службы солнечных коллекторов — 10 лет (за исключением прозрачного покрытия). Наиболее полно вопросы эксплуатации гелиоустановок и солнечных кол­лекторов различных конструкций исследованы немецки­ми специалистами [89-91]. Ими выполнен анализ опыта 20-летней эксплуатации 113 гелиоустановок за период с 1980 г. по 1999 г., к концу которого в работе осталось 57 установок (50 %). Анализ дефектов солнечных коллек­торов показал, что наибольшее количество повреждений имели поглощающие панели: раздутие штампосварных конструкций — 25 %, коррозия — 20 %, протечки — 16 %, обесцвечивание покрытия — 8 %. Наименее надежными оказались стальные штампосварные и трубчатые алюми­ниевые панели. Дефекты прозрачной изоляции оценены в 20 %, при этом акриловые покрытия, синтетические пленки имели многочисленные трещины. Для 30 % кор­пусов солнечных коллекторов отмечено растрескивание покрытия. Авторы указывают на факты массовых по­вреждений шланговых соединений коллекторов. При­чинами повреждений солнечных коллекторов стали так­же ошибки при их конструировании, проектировании и эксплуатации.

Проведен анализ поврежденных солнечных коллекто­ров с неселективным покрытием завода « Сибтепломаш » на примере солнечно-топливной котельной в г. Анапа [92] и анализ коллекторов с селективным покрытием того же за­вода на примере солнечно-топливной котельной в г. Тима — шевск [93]. Полученные результаты подтвердили выводы Б. В.Тарнижевского [94].

Разработка новых конструкций солнечных коллек­торов требует оценки его эксплуатационной надежности. Как показано выше, в России имеется небольшой опыт та­кой оценки и требуются соответствующие дополнительные исследования.

В настоящее время основным методом оценки энерге­тической эффективности солнечных коллекторов явля­ется сопоставление полученной полезной энергии и сум­марной солнечной радиации в плоскости коллектора. Так, Дж. А.Даффи и У. А.Бекманом [20] КПД солнечного кол­лектора в стационарных условиях предложено определять по формуле (3.5). Поскольку метеорологические параме­тры (Е, tB) изменяются в широких пределах как в течение дня, так и от одного географического пункта к другому, температура теплоносителя также меняется в зависимо­
сти от внешних условий и расхода теплоносителя. КПД коллектора при эксплуатации является переменной вели­чиной и не может служить критерием эффективности, осо­бенно при сравнении различных конструкций.

А. Р.Фертом и И. А.Щекиной [76] предложена несу­щественно трансформированная формула Даффи и Бек­мана. Обобщенный критерий оптимизации конструкций солнечных коллекторов предложен Б. В.Тарнижевским [77, 78]. Согласно выводам В. М. Бродянского [79], оцен­ку эффективности энергетических систем целесообразно производить по коэффициенту преобразования энергии, отражающему соотношение полезной энергии Ад и энерге­тических затрат в устройстве для ее получения Аа, т. е. ц = AJAg. Р. Р.Авезовым в статьях [80-83] выполнен эксерге — тический анализ эффективности отдельных элементов и солнечных коллекторов в целом. Установлено, что для по­вышения эксергетической эффективности солнечных кол­лекторов в первую очередь следует применять высококаче­ственные стекла и эффективные поглощающие покрытия. В. В.Алексеевым разработан метод энергетического анали­за с оценкой как прямых, так и косвенных затрат энергии на производство продукции с составлением отраслевых и межотраслевых энергетических балансов [84]. Утвержда­ется, что энергетические затраты на единицу продукции являются более объективным показателем, чем стоимост­ные. В. И. Рущук предлагает определять затраты топливно­энергетических ресурсов на полный цикл производства цветных металлов от добычи руды до получения товарного продукта [85]. Е. Я. Янтовским разработана методика срав­нительной оценки эффективности применения различных видов ВИЗ с учетом затрат энергии на изготовление матери­алов, оборудования, а также с учетом КПД использования первичной энергии [86]. Основные факторы энергоемкости различных материалов исследованы отечественными и за­рубежными учеными [87, 88].

Анализ указанных работ выявил отсутствие методик оценки энергетической эффективности солнечных коллек­торов, в соответствии с которыми возможна разработка но­вых конструкций с заданными теплотехническими и стои­мостными показателями.