Теплоснабжение вследствие значитель­ного объема потребления горячей воды относительно невысокой температуры яв­ляется наиболее доступным в техниче­ском отношении направлением исполь­зования солнечной энергии. Эффектив­ность геолисистем теплоснабжения опре­деляется совершенством технических средств поглощения солнечной радиа­ции, ее аккумулирования, хранения и пе­редачи потребителям.

Несмотря на положительные резуль­таты испытаний отдельных эксперимен­тальных объектов, системы внедряются в практику строительства крайне мед­ленно. Основной их недостаток — несо­измеримость эффекта экономии топлива и капитальных затрат. Наряду с эконо­мическими проблемами стоят также во­просы подбора основного и вспомога­тельного оборудования, автоматизации управления тепловыми и гидравличе­скими режимами, технического обслужи­вания, борьбы с коррозией в солнечных коллекторах, предотвращения замерза­ния теплоносителя при отрицательных температурах. Таким образом, для мас­сового внедрения необходимо создание гелиосистем, отличающихся высокой энер­гетической эффективностью, надежно­стью, простотой эксплуатации при на­именьших капитальных затратах.

Систематизация отечественного и зару­бежного экспериментального материала и теоретических разработок позволила авторам классифицировать факторы, влияющие на эффективность гелиосистем теплоснабжения, оценить их количествен­но и наметить направления повышения энергетического к. п. д. систем путем оп­ределения области рационального исполь­зования, совршенствования схемных ре­шений, оптимизации конструкций и ре­жимов и других параметров.

Рассмотрим энергетический баланс ге­лиоустановки теплоснабжения, предста­вив ее звеньями с определенными поте­рями энергии (рис. 1). Анализ показы­вает, что в среднем в установках исполь­зуется полезно от 15 до 30% падающего солнечного излучения, а большая его часть идет в окружающую среду в виде оптических и тепловых потерь в солнеч­ных коллекторах. Оптический к. п. д. за­висит от свойств прозрачных покрытий, их количества и составляет в реальных условиях 0,6—0,72 для двухслойного и 0,7—0,8 для однослойного стеклянного покрытия. При отсутствии покрытия оп­тический к. п. д. определяется поглоща­ющей способностью панели солнечного коллектора, равной 0,9—0,95.

Тепловые потери в окружающую среду зависят от качества покрытия, тыльной

теплоизоляции и от разности температур панели tn и наружного воздуха tH. Зна­чения к. п. д. солнечного коллектора с различной степенью покрытий представ­лены на рис. 2 в функции разности тем­ператур At = tn—tn и плотности сол­нечной радиации Е. Здесь можно выде­лить три зоны эффективного примене­ния солнечных коллекторов: I — без

покрытия (при At = 5—10°С); II — с однослойным покрытием (5—10°С< <А^<20—40°С); III — с двухслойным остеклением (А^>20—40°С). Теплопри- емники с двухслойным покрытием эф­фективны в системах чистого гелио­отопления «пассивного» и «активного» типов при среднем к. п. д. 20—40%. Область рационального использования коллекторов с однослойным покры­тием — комбинированные гелиосистемы (круглогодичное горячее водоснабже­ние и низкотемпературное отопление). И, наконец, солнечные коллекторы без

О-гг’-

Абсорбер

Оптические потери 20-30 %

Теплопотери і солнечном коллекторе 20-30 %

Коллектор — if— НИР ПППР ^ ^

Аккумулятор

Теплопотери б теплопро­водах и за счет неравно­мерности потокораспре­делен и я 5-10 %

Снижение эффекта на 10%

Теплопотери 0-10%

Сумма потерь теплоты ВО-85% Полезно используемая теплота д0~15 %

Рис. 1. Тепловой баланс гелиоустановки теп-* лоснабжения
покрытия (абсорберы) эффективны при небольших или отрицательных темпера­турных напорах. Применение абсорбе­ров, обусловленных их высоким к. п. д. (г|>0,7), может распространяться на большой класс потребителей низкотем­пературной теплоты (плавательные бас­сейны, бани, душевые установки, си­стемы подпитки сетей теплоснабжения, а также системы с тепловыми насоса­ми) ([1].

Расчеты показывают, что применение комбинированных коллекторных полей со ступенчатым покрытием, например, с теплоприемниками без покрытия в пер­вой ступени п с однослойным покрыти­ем во второй, при последовательной схеме их соединения дает энергетиче­ский эффект более ощутимый, чем у поля с коллектором большей степени остекления. Использование тепловых насосов в таких системах повышает не только их к. п. д., но и снижает в 1,5— 2 раза металлоемкость и, следователь­но, капитальные затраты.

Тепловые потери в полях, объединя­ющих отдельные теплоприемники, оп­ределяются теплопередачей трубопрово­дов и неравномерностью потокораспре — деления теплоносителя. Заметное сни­жение этих потерь достигается приме­нением последовательно-параллельной схемы обвязки коллекторного поля вместо параллельно-параллельной, ко­торая имеет наибольшую длину тепло­проводов и высокую неравномерность распределения расходов.

Требования борьбы с коррозией сол­нечных коллекторов и их разрушением при замерзании теплоносителя в холод­ный период определяют необходимость создания гелиосистем в двухконтур­ном исполнении і[2; 3]. Наличие кон­тура с промежуточным теплообменни­ком снижает выработку теплоты вслед­ствие повышенных температур тепло­носителя в теплоприемниках. При ма­лой площади поверхности теплообмен­ника может наблюдаться значительное снижение теплопроизводительности (до 20—30%), что подтверждалось при ис­пытаниях на экспериментальных объек­тах ^[4].

В двухконтурных системах узел теп­лообменника следует рассчитывать особо тщательно, используя технико­экономический анализ [2; 5; 6]. Так, например, установлено, что оптималь­ный температурный напор в скорост­ных теплообменниках при действую­щих экономических критериях должен составлять 2—5°С. Для емких подогре­вателей, с целью обеспечения высокой эффективности, поверхность вмонтиро-

Рис. 2. Зависимость КПД солнечного коллек­тора от разности температур абсорбера и на­ружного воздуха

ванных змеевиков необходимо увели­чивать в 2,5—4 раза.

Последним элементом по ходу под­готовки теплоносителя в гелиосистемах теплоснабжения (см. рис. 1) является аккумулятор, предназначенный для сбо­ра горячей воды, компенсации неравно­мерности прихода солнечной радиации и отбора теплоты потребителям. От совершенства аккумулятора существен­но зависят и тепловые характеристики всей системьы

К основным параметрам аккумулято­ров относятся удельный объем VaK, т. е. объем, приходящийся на 1 м2 солнечного коллектора, степень страти­фикации и совершенство тепловой изо­ляции. Каїк показывают результаты численного моделирования, влияние объема аккумулятора проявляется для различных по характеру водоразбора потребителей по-разному. Так, для жи­лого фонда рациональным будет Уак = = 60—70 л/м2, что хорошо согласуется с данными [7; 3]. Уменьшение объема в два раза снижает теплопроизводи — тельность системы на 8—12% вследст­вие более высокой температуры в сол­нечном коллекторе. При Уак=70 л/м2 к. п. д. системы повышается незначи­тельно, однако возрастают капиталь­ные затраты и теплопотери.

Для потребителей с постоянным во­дозабором в течение светового дня (прачечные, бани, столовые и др.) эф­фективны аккумуляторы относительно небольшого объема (Van = 20—40 л/м2). При вечернем водозаборе эта величина должна составлять 80—100 л/м2, а<

цикл зарядки следует организовывать путем наполнения емкости горячей во­дой от коллекторного поля по про­точной схеме.

Температурная стратификация так­же способствует повышению эффектив­ности системы (на 5—10%) по срав­нению с аккумуляторами с перемеши­ваемым теплоносителем. Состояние по­стоянной стратификации может быть достигнуто секционированием аккуму­лятора (три—четыре емкости), органи­зацией естественных гидротермических процессов, рационализацией схем пото­ков теплоносителей и автоматизацией.

За счет увеличения термического со­противления изоляции аккумуляторов

можно заметно сократить теплопотери, которые, по данным [4], достигают 15—20%. Как показывают расчеты, теп­ловая изоляция наружных аккумуля­торов ДЛЯ Крупных гелиосистем (ЛСк> >500 м2) должна иметь термическое сопротивление #т>1,5 м2*К/Вт, а для мелких установок — #т — 2—2,5 м2Х

ХК/Вт. В этом случае к. п, д. аккуму­лятора достигает высоких значений (0.94-0,96).

Выполненный анализ энергетической эффективности позволяет количествен­но оценивать мероприятия по повыше­нию к. п. д. использования энергии Солнца в гелиосистемах теплоснабже­ния и является основой методологии выбора и конструирования схемных ре­шений.

Рассмотрим некоторые принципиаль­ные решения, способствующие более эффективному использованию гелиоус­тановок. Как уже отмечалось, одним из факторов, сдерживающих широкое внедрение гелиосистем, является недо­статочная экономия топлива (она до­стигает лишь 50—100 кг/(м2-год) [4].

Зона оптимальных решений при этом ограничивает долю замещения годовой нагрузки на горячее водоснабжение 15—30%. Остальная теплота сообщает­ся теплоносителю от традиционного теплоисточника. Таким образом, боль­шую часть сезона гелиосистема рабо­тает в низкотемпературном режиме. При этом, как показано ранее, наибо­лее эффективны солнечные коллекто­ры без покрытия — абсорберы (при общей проточной схеме движения теп­лоносителя).

В ТашЗНИИЭП предложена «термо­нейтральная» солнечная установка, в ко­торой путем изменения расхода тепло­носителя достигается такое состояние системы, когда средняя температура воды равна температуре наружного воздуха, и благодаря отсутствию теп — лопотерь вся поглощенная абсорбером радиация сообщается теплоносителю. В этом случае солнечный коллектор способен в южных районах страны за­мещать до 150—180 кг/(м2-год) ус­ловного топлива. Эта величина не яв­ляется предельной, поскольку здесь вводится ограничение по температуре, а работа установки в зависимости от метеопараметров происходит в динами­ке. За счет большой аккумулирующей способности теплоносителя в этом слу­чае будут иметь место дополнительные теплопотери.

Для устранения указанного недостат­ка и достижения простоты обслужи­вания гелиосистем теплоснабжения предлагается обеспечивать в коллек­торах постоянный в течение солнечного дня расход воды. Коллекторное поле выполняется из двух, а при необхо­димости из трех ступеней, с увеличи­вающейся по мере нагрева теплоноси­теля степенью совершенства покрытия. В зависимости от параметров климата и температуры воды доля остекления может быть переменной либо оставать­ся на уровне, определенном технико­экономическим расчетом. На догрев в котельную вода поступает из баков* аккумуляторов. Как следует из вычис­лений, тепловая эффективность предло­женной схемы на 15—20% выше по сравнению с базовым вариантом, а эко­номия топлцва может достигать 200— 250 кг/(м2-год).

На рис. 3 представлены графики за­висимости коэффициента замещения на­грузки горячего водоснабжения от удельной площади солнечных коллек­торов с покрытием и без него для ус — довий Ташкента, откуда следует, что при Лск^О.1 м2/ГДж эффективнее по­следние с коэффициентом замещении ф 0,3—0,4.

К недостаткам проточных схем отно­сятся повышенные требования к качест­ву теплоносителя. При высоком соле — содержании и большом количестве рас­творенного кислорода системы выпол­няются двухконтурными либо устраи­вается обработка исходной воды перед солнечными коллекторами. С тепло-! технической точки зрения оба решения несовершенны.

В первом случае из-за работы замк­нутых контуров в переменном темпера­турном режиме для нагрева тепло­носителя до требуемой температуры за­метно снижается теплопроизводитель — ность, кроме того, возникает необхо­димость в дополнительном баке-аккуму­ляторе. Вторая схема противоречит принципу использования солнечной энергии на низшей ступени подготовки теплоносителя. Здесь перед блоком химводоочистки вода нагревается от котла, затем, уже после обработки, с температурой 30—40° поступает в сол­нечный коллектор, где догревается в режиме повышенных теплопотерь гелио­приемника. Расчеты показывают, что при этом на 20—30% снижается теп­ловая эффективность установки.

Избежать этих потерь энергии уда­ется регенерацией теплоты в так на­зываемой «проточно-регенеративной» схеме гелиосистем теплоснабжения (рис. 4). Система включает теплооб­менники I и II ступеней, соединенные между собой по трубному и межтруб­ному пространствам. В подогревателе I ступени — регенераторе — исходная вода нагревается до 30—40°С, подвер­гается затем химводоочистке и поступа­ет в подогревателе II ступени, где тем­пература ее несколько повышается за счет горячей воды, идущей от солнеч-

Рис. 3. Зависимость коаффициента замещении тепловой нагрузки от удельной площади сол­нечного коллектора 1 —■ без покрытия; 2 с однослойным стеклян­ным покрытием

Рис. 4. Принципиальная схема проточно-ре­генеративной ГСТС / — солнечный коллектор; 2 —- блок химводо- очистки; 3, 4 — теплообменники I и II ступе­ней

ных коллекторов в аккумулятор. Пос­ле II ступени обработанная вода в межтрубном пространстве регенератора охлаждается на противотоке исходной воды и с достаточно низкой температу­рой поступает затем в солнечный кол­лектор.

Эффективность предложенного реше­ния достигается за счет регенерации теплоты внутри контура системы при сохранении преимуществ проточных схем. Достоинства проточных схем ре­ализуются максимально, если солнеч­ные коллекторы изготовлять из анти­коррозийных и морозостойких матери­алов. Авторами совместно с Загорским филиалом Всесоюзного научно-исследо­вательского института резинотехниче­ской промышленности предложен и раз­работан ряд конструкций и установок на базе эластичных полимеров, предназ­наченных для солнечных коллекторов и гелиопокрытий зданий. Будучи моро­зостойкими и обладая антикоррозий­ными свойствами, гелиоприемники из эластичных материалов имеют мень­шую удельную массу, чем у известных конструкций, легко транспортируются, перспективны для создания мобильных установок.

Солнечные коллекторы из прорези­ненной трубчатой ткани испытывались в натурных условиях на гелиоплощад­ке ФТИ имени С. В. Стародубцева АН УзССР в 1986 г. Исследовались об­разцы с пленочным покрытием и без него. Анализ результатов показал, что зависимость к. п. д. гелиоприемника от разности температур теплоносителя (воды) на входе в коллектор и наруж­ного воздуха близка к аналогичной кривой для солнечных установок со стальными панелями РСГ-2 конструк­ции КиевЗНИИЭП [8].

Другим направлением снижения ка­питальных затрат является использо­вание солнечных коллекторов без теплоизоляции, размещенных на грун­те или ограждающих конструкциях. Исследования нестационарных процес­сов в таких «инерционных» теплопри — емниках свидетельствуют, что в харак­терных режимах по тепловым показа­телям они не уступают коллекторам с тепловой изоляцией.

Дальнейшее совершенствование солнеч­ных коллекторов и гелиопокрытий пред­ставляется путем создания безнапорных (вакуумных) конструкций. Это направле — нйе позволит использовать в качестве материалов любые воздухонепроница­емые, например: фольгу, фольгоизол, прорезиненные ткани и полимерные пленочные покрытия. Для функциониро­вания такого рода устройств достаточно получить разрежение в несколько де­сятков миллиметров водяного столба. Однако здесь возникают дополнительные задачи воздухоудаления, поддержания стабильного вакуума, а также диагно­стики системы. Б настоящее время для подобных конструкций ведутся экспери­менты по определению их теплотехничес­ких и гидравлических характеристик.

Для оценки энергетической эффектив­ности по коэффициенту замещения теп­ловой нагрузки разработаны математи­ческие модели различных схем гелио-ус­тановок: проточных, рециркуляционных, теплонасосных для замещения нагрузок горячего водоснабжения и отопления в отдельности, а также для комбинирован­ной нагрузки. В результате численного моделирования получены характеристи­ческие уравнения, связывающие коэф­фициент замещения для данной системы с ее конструктивными, метеорологичес­кими и другими параметрами.

Выбор области применения той или иной схемы обосновывается технико-эко­номическим расчетом. В качестве целе­вой функции обычно принимается пере­менная часть приведенных затрат [7]. Основным оптимизируемым параметром является удельная площадь солнечных коллекторов Аск. Технико-экономическо­му анализу подвергались гелиосистемы, отличающиеся по схемам и роду заме­щения тепловых нагрузок, при стоимо­сти солнечных коллекторов Сек = 25 р/ м2 — без покрытия и Сек = 50 р/м2 — с однослойным покрытием для различных климатичесских районов в зависимости от цен на условное топливо.

Установлено, что проточные системы конкурентоспособны уже при совре­менном уровне цен на условное топли­во ст = 50—100 р/т, причем наиболее экономичны системы с абсорберами, даже в районах с относительно низ­кими температурами (Чита). Приме­нение солнечных коллекторов с покры­тиями дает эффект лишь при стоимо­сти условного топлива 100 р/т.

Согласно расчетам для различных; климатических условий, увеличение сто­имости топлива от 75 до 150 р/т сме­щает минимум целевой функции в об­ласть Аск = 0,1—0,2 м2/ГДж, что со­ответствует доле замещения нагрузки горячего водоснабжения ф = 0,25—0,5 для южных районов страны и ср = 0,2— 0,35 для районов средних и более вы­соких широт. При этом срок окупае­мости капиталовложений в ГСТС со­ставляет от 4,5 до 8 лет.

Установлено также, что несколько худшими экономическими показателя­ми обладают теплонасосные гелиосисте­мы горячего водоснабжения с абсор­берами, эффективность которых на­ступает при затратах на топливо ст = = 75-|-100 р/т, а при ст>100 р/т рас­пространяется и на схемы с комбини­рованной нагрузкой и сезонной акку­муляцией теплоты.

В настоящее время чаще других при­меняются рециркуляционные системы нагрева воды в солнечных коллекторах с однослойным стеклянным покрытием, которые могут дать экономический эф­фект лишь при стоимости топлива сг>150 р/т, однако конкурировать с рассмотренными выше системами они не в состоянии. Область их рациональ­ного использования — замещение ком­бинированной нагрузки отопления и го­рячего водоснабжения при замыкающих затратах на топливо, превышающих 200 р/т. Согласно результатам опти­мизационных расчетов, эти системы должны включать эффективные солнеч­ные коллекторы с полутора — и двух­слойным покрытием.

Выводы

1. При современном соотношении цен на солнечные коллекторы и замещае­мое топливо экономически обоснованно применение проточных гелиосистем с абсорберами без покрытия для предва­рительного подогрева воды в системах горячего водоснабжения при годовом коэффициенте замещения ф = 0,2—0,3.

2. В зависимости от темпов возраста­ния стоимости замещаемого топлива прослеживается тенденция необходи-‘ мости внедрения более совершенных схемных решений и оборудования ге­лиосистем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пономарев В. Н., Тютюнников А. И., Мосягин В. Ю. Анализ совмест­ной работы гелиосистемы с теплонасосной установкой // Холодильная техника. 1982. № 6.

2. Аверьянов В. К., Тютюнников А. И. Выбор оптимальной поверхности про­межуточного теплообменника двухконтур­ной гелиосистемы // Гелиотехника. 1984. № 3.

3. Д а ф ф и Д ж. А., Бекман У. А. Теп­ловые процессы с использованием солнеч­ной энергии; Пер. с англ. — М.: Мир, 1977.

4. Н а с о н о в Е. А. Результаты испытаний гелиосистемы горячего водоснабжения че­тырехэтажного жилого дома // Гелиотехни­ка. 1985. № И.

5. К е й с В., Лондон А. Компактные теп­лообменники: Пер. с англ. — М.; Энергия, 1967.

6. Эффективные системы отопления зданий. — Л.; Стройиздат, 1988.

7. Валов М. И. Оптимальные значения пло­щади солнечных коллекторов в системах гелиотеплоснабжения // Гелиотехника. 1986. № 1.

8. Магометов А. Д., Дибиров М. Г., Сатано в ский М. Р. Гелиоводонагре — вательная установка на основе стальных штампованных радиаторов РСГ-2 // Гелио­техника. 1980. № 4.