Гелиоустановки горячего водоснабжения: расчеты, контрукции солнечных коллекторов, экономическая и энергетическая целесообразность

В. А. БУТУЗОВ, канд. техн. наук, ЗАО «Южно-русская энергетическая компания» (г. Краснодар);
А. А. ЛЫЧАГИН, инж., Ковровский механический завод (г. Ковров)

Краснодарский край — типичный южный регион России, в котором в значительных объемах используются нетрадиционные возобновляемые источники эксплуатируется 36 гелиоустановок горячего водоснабжения общей о 2700 м², ежегодно из 55 геотермальных скважин 12 млн. м³ с температурой 70-90 °С, установлено 36 ветродвигателей общей мощностью 130 кВт.

Анализ опыта разработки и эксплуатации гелиоустановок в Краснодарском выполнен в [1]. В данном регионе проектирование и монтаж гелиоустановок выполняет ЗАО «Южно-русская энергетическая компания», которым смонтировано 25 гелиоустановок централизованного горячего водоснабжения. Целесообразность сооружения гелиоустановок определяется в основном уровнем солнечной радиации.

В работе [2] представлена классификация и анализ известных методов представления климатологической информации в гелиотехнических расчетах:

1. По средним суткам, представляющим месяц, т. е. метеоданные усредняются за каждый час месяца, и так составляются средние сутки. В течении месяца все сутки одинаковы, а в течении суток величины параметров изменяются от часа к часу.
2. По среднемесячным значениям, т.е. вычисляется одна среднемесячная величина параметра, и она используется для суток месяца.
3. Среднесуточным значениям, т.е. для каждых суток месяца вычисляется значение, которое используется для данных суток. Этот метод достаточно трудоемок и при использовании на ЭВМ требует практически столько же машинного времени, что и «типичный год».
4. По «типичному году», т. е. расчет выполняется по реальным данным каждого часа дней месяца, имеющего статистические характеристики, совпадающие со средним и многолетним.

На основании анализа отечественных и зарубежных работ по методам расчета интенсивности солнечной радиации можно сделать вывод, что представленные методики носят в большинстве случаев частный характер, т.е. применимы для конкретных условий в данной географической точке и требуют большого объема подготовленной климатологической информации. Это затрудняет разработку и оптимизацию систем солнечного теплоснабжения.

В [З] было показано, что для достижения заданной точности определения приведенных затрат в системах солнечного теплоснабжения допустимо использовать усредненную за определенный период интенсивность солнечной радиации. Эффективность гелиоустановок не зависит от распределения радиации в течение дня, ее сумма.

В практике проектирования гелиоустановок, как правило, применяется второй метод, т. е. среднемесячные значения интенсивности солнечной радиации.

Для расчетов годовых характеристик гелиосистем, требующих точности меньше 10% следует использовать метеоданные «типичного года».

Для проектирования гелиоустановок необходимы значения суммарной, прямой и рассеянной радиации. В самом общем случае их принимают согласно Справочника по климату «Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечной сияние» [4]. Однако они представлены таи не для населенных пунктов. Так, в указанном Справочнике 1966 г. издания [5] для территории Краснодарского края общей площадью 83,3 тыс. км² данные по солнечной радиации были приведены только для г. Сочи, условия которого не характерны для других населенных пунктов края и которые применимы только в радиусе 50-100 км для условий ровного рельефа в первом полукилометровом слое атмосферы.

В данной ситуации для получения достоверных значений для условий г. Краснодара были проведены исследования имеющихся значений суммарной солнечной радиации за 10 летний период наблюдений с 1977 по 1986 г.г. [6], [7]. При этой применяется известный метод расчета интегральной повторяемости отдельных градаций солнечной радиации по ее среднему значению с построением гистограмм, являющихся эмпирическим аналогом дифференциальной функции распределения вероятности.

Сравнение полученных указанным методой значений интенсивности солнечной радиации для г. Краснодара с аналогичными данными прилежащих населенных пунктов Ростовской области и Ставропольского края, приведенных в Справочнике [5] показало, что применение данных автора позволило избежать ошибок до 18% при использовании значений солнечной радиации прилежащих регионов.

В работе [8] была продолжена обработка данных до 1990 г. Анализ результатов расчетов и интегральной кривой распределения повторяемости суммарной солнечной радиации показал, что для условий г. Краснодара за 14-ти летний период наблюдений с большей степенью достоверности для расчета гелиоустановок следует использовать среднеарифметические значения суммарной солнечной радиации. Обеспеченность среднеарифметического значения солнечной радиации составляет 56%, а с учетом интегральной повторяемости 51%. Анализ полученных данных показал, что с увеличением продолжительности периода измерений расчетные значения как среднеарифметических, так и средних с учетом функций вероятности имеют тенденцию к снижению.

Приведенный метод обработки данных интенсивности солнечной радиации был применен автором также для г. Геленджика Краснодарского края [8].

При незначительном отличии интенсивности годовой солнечной радиации городов Краснодара и Геленджика (удаление 90 км) первую половину года данные по отдельным месяцам в г. Краснодаре превосходят соответствующие значения г. Геленджика. Во втором полугодии имеет место обратная картина. Анализ интегральных кривых повторяемости показал, что с большей степенью достоверности для расчетов гелиоустановок следует использовать среднеарифметические значения суммарной солнечной радиации.

При выполнении работы по оценке гелиоэнергетических ресурсов Краснодарского края и разработке рекомендаций по их техническому использованию для выработки тепловой и электрической энергии [9] с участием автора были использованы данные значений интенсивности солнечной радиации и методики Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова (ГГО) [10].

По данным измерений в 40 пунктах выделено 5 зон с различными значениями суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность. Наибольшими ее значениями характеризуются территории, прилегающие к Черному и Азовскому морям, — 1400 кВт-м², наименьшими — горные районы — 1205 кВт-м².

В результате обобщения и анализа многолетних исследований получены достоверные значения интенсивности прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации по всем городам и районам Краснодарского края для горизонтальных поверхностей и для поверхностей, наклоненных под углом равным географической широте данной местности.

В таблице ниже приведены результаты расчетов производительности гелиоустановки горячего водоснабжения с солнечными коллекторами Ковровского завода для условий г. Краснодара.

Месяц	Интенсивность прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность, Втч/м2	Интенсивность рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность, Втч/м2	Расчетная теплопроизводительность солнечного коллектора, Втч/м2	Удельная дневная производительность при 55°С, литр
Январь	447.9	716.3	1135.7	24.4
Февраль	704.2	1160.1	1435.6	30.86
Март	1370.5	1567.5	2028.4	43.6
Апрель	1990.0	2045.6	2445.1	52.6
Май	2857.4	2508.0	2998.5	64.5
Июнь	3397.0	2656.4	3236.3	69.6
Июль	3520.3	2499.1	3287.1	70.7
Август	3063.4	2087.0	3076.0	66.1
Сентябрь	2360.3	1610.5	2708.8	58.2
Октябрь	1334.6	1173.4	1994.6	42.9
Ноябрь	536.8	703.4	1156.0	24.8
Декабрь	215.0	564.3	711.0	15.3

Анализ распределения интенсивности суммарной солнечной радиации по месяцам показал существенное превышение летних значений над зимними. Так, для Краснодара эти значения составляют: в июле 670 МДж/м², в декабре 80 МДж/м². Очевидно, что применение гелиоустановок для отопления неэффективно, а практическое значение имеет использование солнечной энергии для горячего водоснабжения в период с апреля по октябрь. Кроме, того анализ возможностей применения гелиоустановок свидетельствует, что при использовании солнечной энергии 25% населения Краснодарского края, не имеющего централизованного теплоснабжения (916 тыс. человек), и 50% отдыхающих (5000 тыс. человек) общая потребность края в гелиоустановках составляет 1450 тыс.м².

На 01.11.99 г. в Краснодарском крае фактически смонтировано и эксплуатируется 36 гелиоустановок теплопроизводительностью от 1 до 20 м³ горячей воды в день. Эксплуатируемые гелиоустановки имеют солнечные коллекторы различных конструкций:

• 11 гелиоустановок оборудованы 2900 коллекторами Тбилисского и Братского заводов;
• 25 гелиоустановок оборудованы коллекторами Ковровского завода.

Около 95% гелиоустановок выполнено по одноконтурной схеме. Расчетная дневная производительность по горячей воде составляет от 1 до 12 м³. При производительность до 3 м³/сут гелиоустановки работают с термосифонной циркуляцией, при большей производительности — с насосной. Солнечные коллекторы, как правило, размещаются на кровлях зданий.

На фото 1 представлена одна из первых гелиоустановок издательства «Советская Кубань» в г. Краснодаре. На кровле здания в 1989 г. установлено 432 коллектора Тбилисского завода общей площадью 260 м². Гелиоустановка одноконтурная с насосной циркуляцией оборудована баками-аккумуляторами общей емкостью 20 м³ и работает на горячее водоснабжение в межотопительный период.

 

На фото 2 представлена гелиоустановка пансионата «Лесная поляна» в г. Новороссийске. На кровле здания га 1999 году установлено 68 коллекторов Ковровского завода общей площадью 51 м². Гелиоустановка одноконтурная, с естественной циркуляцией, оборудована баком-аккумулятором емкостью 7 м³ и работает на горячее водоснабжение в летнее время.

 

В таблице 1 приведены данные по эксплуатируемым гелиоустановкам, разработанным ЗАО «Южно-русская энергетическая компания».

Таблица 1

N	Адрес, владелец	Общая площадь установки, м2	Количество коллекторов, шт.	Изготовитель коллекторов	Дата ввода в эксплуатацию	Количество и емкость баков, м3	Размещение коллекторов	Примечание
1.	Кубаньтеплокоммунэнерго ул.Селезнева	48	60	Ковров	1995	3	Навес	Душевые
2.	Торговый дом «Травы Кубани» ул.Новороссийская	8	10	Ковров	1994	1,5	Навес	Душевые
3.	Завод монтажных заготовок ул.Монтажников	8	10	Ковров	1994	1	Навес	Душевые
4.	Агропромснаб-1 ул.Уральская	24	30	Ковров	1995	3	Навес	Электрокотел 2 кВт, душевые
5.	Краевая больница ул.Российская	86,4	108	Ковров	1995	10	Навес	Пищепри готовление, мытье посуды
6.	АО «КРАВТ» ул.Уральская	51,2	64	Ковров	1995	6	Кровля	Душевые, столовая
1.	ст.Благовещенская база отдыха «Ладога»							алюмин.
	— гелиоустановка N1	2,4	3	Ковров	1999	0,2	Кроншт.	плавник
	— гелиоустановка N2	19,2	24	Ковров	1999	2,0	Навес
	— гелиоустановка N3	38,4	48	Ковров	1999	4,0	Кровля	столовая,
	— гелиоустановка N4	38,4	48	Ковров	1999	4,0	Навес	душевые
ЕЙСК
1.	б/о Военторга	16	20	Ковров	1995	2	Кровля
2.	б/о Пермьтрансгаз	16	20	Ковров	1995	2	Навес
1.	б/о «Примула»	64	80	Ковров	1994	7	Навес	Душевые, столовые
2.	б/о СКЖД	80	100	Ковров	1995	10	Кровля	Душевые, столовые
1.	б/о «Нептун»	32	40	Ковров	1995	2х3	Кровля	Душевые, 2 эл.котл. ЭПЗ-25 столовая
НОВОРОССИЙСК
1.	БОФ ул.Волочаевская	64	80	Ковров	1994	8	Кровля
2.	Нефтеперевалочная база «Шесхарис»	72	90	Ковров			Навес	Душевые
3.	Пансионат «Зеленая роща»	26	32	Ковров			Кровля	Душевые
4.	Пансионат «Лесная поляна»	60	68	Ковров	2 кв. 1999 г.	6	Кровля	Столовая
Ст.СМОЛЕНСКАЯ
1.	База отдыха Энергонадзора	8	10	Ковров	1995	1	Кровля	Душевые
СОЧИ
1.	Пансионат «Подмосковье»	48	60	Ковров	1995	4	Навес	Душевые
2.	Пансионат «МАГРМ»	8	10	Ковров	1995	1	Навес	Столовая
3.	Санаторий им.М.В.Фрунзе	72	92	Ковров	1996	2х5	Кровля	ЦТП
ТЕЙДРЮК
1.	Тепловые сети, котельная д/с «КОЛОКОЛЬЧИК»	16	20	Ковров	1999	2,0	Кровля	Стал. плавник
ТУАПСЕ
1.	Нефтебаза «Заречье»	8	10	Ковров	1998	1	Кровля	Душевая

Краснодарской лабораторией энергосбережения и нетрадиционных источников энергии Академии коммунального хозяйства выполнен анализ состояния гелиоустановок края. Наименее надежным их элементом является солнечный коллектор. При обследовании гелиоустановок фиксировалось состояние теплопоглощающей панели, корпуса, остекления солнечного коллектора после 3-5 лет эксплуатации. Наихудшие эксплуатационные показатели имеют коллекторы Братского завода отопительного оборудования (аналогичные конструкции Новокузнецкого, Подольского заводов) со стальной штампованной панелью, стальным штампованным корпусом, теплоизоляцией из минеральной ваты. В настоящее время они практически выведены из эксплуатации. Положительно показали себя коллекторы Ковровского механического завода: при общем числе обследованных коллекторов 975 шт. выявлено 3 повреждения теплопоглощающей панели. Следует отметить неудачную конструкцию узла герметизации стекла и низкое качество самого стекла, при приводит к появлению трещин в 7-10% коллекторов в первый год эксплуатации. Не выдерживается технология нанесения лакокрасочного покрытия обратной стороны корпуса коллектора, что вызывает ее коррозию на второй год эксплуатации.

В России солнечные коллекторы серийно выпускаются Ковровским механическим заводом и предприятием «Конкурент» г. Жуковский Московской обл. Отдельные партии коллекторов изготавливает НПО машиностроения г. Реутов Московской обл.

Ковровским заводом выпущено около 1500 солнечных коллекторов. Для данного завода характерно оптимальное для российского рынка соотношение: цена — качество. Во всех модификациях коллектора теплопоглощающая панель выполнена из латунной трубки, что обеспечивает коррозионную стойкость, и различных конструкций плавников (алюминиевые литые, стальные с обжимом и сварные). Покрытие теплопоглощающей панели — селективная эмаль. Стекло — оконное 4 мм, корпус стальной. Теплоизоляция — пенополиуретан, воздушные полости из пергамина. Тыльная сторона теплоизоляции — алюминиевый или стальной лист, пергамин на ДВП. Соединение коллекторов — четырьмя патрубками с резинотканевыми муфтами. Площадь коллектора 0,8-1,07 м². Масса сухая 24-26 кг/ м², с водой 27-30 кг/м². Рабочее давление 6 кгс/см². Стоимость 70 долл. США/ м².

На основе данных коллекторов Ковровским заводом изготавливается солнечная водонагревательная установка для индивидуальных потребителей с двумя коллекторами. Теплоизолированным баком-аккумулятором, опорными конструкциями, соединенными патрубками.

Солнечные коллекторы фирмы «Конкурент» имеют технические характеристики на уровне лучших зарубежных образцов. Теплопоглощающая панель выполнена штампованной из нержавеющей стали, толщиной 0,3-0,5 мм. Селективное покрытие выполнено напылением в вакуумной камере. Теплоизоляция комбинированная: базальтовое волокно в алюминиевой фольге, пенополмуретан.

Стекло упрочненное, с низким содержанием железа, толщиной 3 мм. Корпус и тыльная сторона коллектора выполнены из алюминиевых сплавов. Соединение коллекторов четырьмя резинотканевымм патрубками. Площадь коллектора 1 м². Масса сухая 23,5 кг, с водой 24,75 кг. Рабочее давление 6 кгс/ см². Стоимость — 220 долл. США Коллектор данной фирмы имеет малое сечение каналов теплопоглощающей панели и рассчитан для работы на антифризе.

Фирма «Конкурент» выпускает также солнечные водонагревательные установки для индивидуальных потребителей «Радуга-2М». В комплект установки входит два коллектора площадью 2 м², теплоизолированный бак-аккумулятор емкостью 200 литров. В контуре солнечных коллекторов — антифриз, в баке — пластинчатый теплообменник, регулятор подпитки, электронагреватель мощностью 16 кВт. В комплект установки входят соединительные шланги, опорные конструкции. Стоимость данной гелиоустановки 1000 дол. США.

Солнечные коллекторы НПО машиностроения (г. Реутов) имеют штампованную теплопоглощающая панель из нержавеющей стали толщиной 0,8 мм. Селективное покрытие выполнено напылением в вакуумной камере. Стекло упрочненное, с низким содержанием железа. Корпус м тыльная сторона — из нержавеющей стали. Площадь коллектора 0,9; 1,2 м². Масса сухая 27,34 кг. Рабочее давление 4 кгс/см². Стоимость 230 долл. США/м².

На основе данных коллекторов НПО машиностроения предлагает две модели солнечных водонагревательных установок емкостью 80 литров (один коллектор), 120 литров (два коллектора). Установки одноконтурные. Стоимость 900 долл. США.

В Украине солнечные коллекторы изготавливают предприятие «Южстальконструкция» (г. Симферополь), фирма «СОЛАНЖ» (г. Киев), Крымский электротехнический завод (г. Севастополь).

Симферопольский завод выпускает солнечные коллекторы с теплопоглощающей панелью из алюминиевого плавникового профиля площадью 1,5 м². Стекло оконное. Корпус аз алюминиевого профиля. Теплоизоляция — пенополиуретан. Стоимость 100 долл. США/ м².

Севастопольский завод отдельными партиями изготавливает коллекторы с теплопоглощающей панелью из стальных труб приваренных к стальному листу. Стекло — оконное. Корпус стальной. Площадь коллектора 1,03 м². Стоимость 100 долл. США/м².

Киевская фирма предлагает две модели солнечных коллекторов. Модель КС-3 имеет листотрубную стальную теплопоглощающую панель. Площадь 1,5 м².

Масса сухая 41 кг, с водой 59 кг. Стоимость 50 долл. США/м². Модель КСБ-400 имеет теплопоглощающую панель из латунных трубок с алюминиевым оребрением. Площадь 1,4 м². Масса сухая 28 кг, с водой 36 кг. Стоимость 125 долл. США/м².

Из зарубежных конструкций оптимальное соотношение качество — стоимость имеют израильские коллекторы, которые можно разделить на три вида:

• наиболее качественные стоимостью свыше 150 долл. США/м²;
• средние по качеству стоимость до 150 долл. США/м²;
• стандартного качества стоимостью до 100 долл. США/м².

Наиболее качественные коллекторы имеют теплопоглощающую панель из медных труб и медного листа, способ соединения панели и труб — сварка. Покрытие — селективное. Стекло градостойкое, содержание железа 0,03%, толщина 3,2 мм. Каркас из оцинкованной стали с покрытием порошковым полиэстером или из анодированного алюминия. Теплоизоляция — пенополиуретан, стекловата.

Средние по качеству коллекторы имеют теплопоглощающую панель из медных труб и стального листа. Способ соединения — обжимом. Покрытие селективное. Стекло градостойкое с низким содержанием железа, толщиной 3,2 мм. Корпус из оцинкованной стали. Теплоизоляция — пенополиуретан.

Стандартные по качеству коллекторы имеют теплопоглощающую панель из оцинкованньэх стальных труб и листа. Способ соединения — обжимом. Покрытие — селективная эмаль. Стекло оконное, толщиной 3 мм. Корпус из оцинкованной стали. Теплоизоляция — пенополиуретан.

Основной причиной, сдерживающей массовое сооружение гелиоустановок является высокая удельная стоимость 1500-3000 долл. США/м³/сут, а следовательно большие для современной российской экономики сроки окупаемости, для уровня солнечной радиации Краснодарского края 3-5 лет. В самом общем случае окупаемости гелиоустановок можно определить по формуле:

          T = S_C / (Q C_T),      (1)
где S_C — удельная стоимость гелиоустановки, руб/м²
 Q — годовое количество теплоты, выработанное гелиоустановкой, Гкал/м²
 С_Т — стоимость теплоты от традиционного энергоисточника, Руб/Гкал

Имеющаяся в настоящее время и в перспективе неопределенность в государственной ценовой политике на энергоносители с одной стороны и стоимости энергетического оборудования с другой делает актуальным оценку энергетической окупаемости сооружения гелиоустановок. При этом количество тепловой энергии, вырабатываемое гелиоустановкой за расчетный срок службы сопоставляется с затратами энергии на производство материалов солнечных коллекторов, оборудования и конструкций гелиоустановок. За рубежом расчеты по этому методу [11] показали, что при одинаковых энергетических затратах на изготовление оборудования гелиоустановок и тепловых энергетических станций в расчете на единицу установленной мощности удельная стоимость гелиоустановок должна составлять 108-216 долл. США/ м² при средней стоимости гелиоустановок в США 538 долл. США/м².

В работе [12] предложена формула для определения срока энергетической окупаемости гелиоустановки горячего водоснабжения без дублирующего нагрева:

     (2)

где (m_rЭ_r), (m_yЭ_y) — суммы произведений масс и энергоемкости материалов соответственно солнечных коллекторов и вспомогательных конструкций, оборудования гелиоустановки;
Q_r — количество тепловой энергии, выработанное гелиоустановкой за год;
n — расчетный срок ее эксплуатации.
Коэффициент 1,2 учитывает затраты энергии при монтаже гелиоустановки.

По формуле (2) для гелиоустановки производительностью 1 м³ в день с расчетной температурой 55°С для условий солнечной радиации Краснодарского края при сезонной эксплуатации и расчетном сроке службы 10 лет были рассчитаны [12] сроки энергетической окупаемости 3-х установок, различающихся конструкциями ребер теплопоглощающей панели и теплоизоляцией:

• теплопоглощающая панель из латунной трубки, стальных теплопоглощающих ребер, теплоизоляционной воздушной коробкой из пергамина, ограждением из ДВП и пергамина; срок энергетической окупаемости — 1,04 года;
• то же с алюминиевыми теплопоглощающими ребрами, ограждением из стального листа — 1,41 года;
• то же со стальными ребрами, теплоизоляцией из пенополиуретана, ограждением из стального листа — 1,16 года.

Из полученных результатов следует, что наименьший срок энергетической окупаемости имеет первая конструкция коллектора, наибольший — вторая, что объясняется высокой энергоемкостью алюминия. Результаты расчетов свидетельствуют также о необъективности сравнения гелиоустановок с традиционными источниками теплоснабжения только по стоимостным показателям.

Основным направлением сокращения срока окупаемости гелиоустановок является удешевление солнечных коллекторов. ЗАО «Южно-русская энергетическая компания» совместно с Ковровским механическим заводом (руководитель направления — Лычагин А. А.) работает над модернизацией солнечных коллекторов.

Как известно, солнечных коллектор имеет две теплоизоляции: прозрачную над теплопоглощающей панелью и обычную — под ней. Для последней был произведен анализ расчетных, экспериментальных и экономических показателей.

Тепловая изоляция солнечного коллектора должна обеспечивать заданные по экономическим соображениям нормативные теплотехнические, прочностные и экономические характеристики в течении установленного срока окупаемости, основные из которых рекомендованы ГОСТом [13].

В зависимости от материала теплоизоляции его термическое сопротивление определяется коэффициентом теплопроводности и толщиной для сплошного слоя изоляции. При использовании воздушных полостей толщиной 20-100 мм определяющее значение имеет теплоотдача излучением. При равной толщине изолирующего слоя 100 мм термическое сопротивление пенополиуретана составляет 2,86 (м°С/Вт. Таким образом теплопоглощающие свойства пенополиуретана в 3,7 раза выше.

Термическое сопротивление наружного ограждения теплоизоляции не зависит от материала и, в основном, определяется теплоотдачей конвекцией, которая определяется скоростью наружного воздуха.

Согласно ГОСТ [13] основной характеристикой солнечного коллектора является произведение общего коэффициента тепловых потерь коллектора и коэффициента эффективности поглощающей панели FU_L. Для коллектора с одним слоем прозрачной изоляции, черным теплопоглощающим покрытием при нулевой скорости воздуха FU_L 5,8 Вт/(м²°С) с погрешностью определения ±10% или ± Вт/(м²°С).

Ковровский механический завод провел под руководством А.А.Лычагина испытания солнечных коллекторов с различными конструкциями теплоизоляции. При этом штатная конструкция имела следующие характеристики:

• теплопоглощающая панель из латунных трубок с наплавленным алюминиевым оребрением, произведение оптического КПД коллектора и коэффициента эффективности поглощающей панели — 0,72;
• один слой стекла оконного толщиной 4 мм;
• теплоизоляция — листовым полистирольным пенопластом ПС-1-100 в полиэтиленной стенке толщиной 50 мм;
• произведение общего коэффициента тепловых потерь коллектора и коэффициента эффективности поглощающей панели при нулевой скорости ветра 5,8 Вт/(м²°С);
• корпус стальной с габаритами 944х912х110 мм.

Испытания производились в лаборатории при температурах окружающей среды от 14 до 22°С, температуре воды на в коллекторы 60°С, расходе воды 23,4 л/ч, угле наклона коллектора 45°С. Испытания производились по методике и схеме согласно ГОСТ [13]. Испытываемые коллекторы различались только конструкцией теплоизоляции:

• штатная;
• без теплоизоляции;
• коробка из пергамина;
• коробка из пергамина с одной перегородкой;
• коробка из пергамина с двумя перегородками;
• вкладыши в полости коллектора;
• вкладыши в полости коробки из пергамина.

При этом получены результаты, которые представлены в табл. 2.

Таблица 2

N п/п	Тип теплоизоляции	Произведение общего коэффициента потерь и коэффициента эффективности, FUL, Вт/(м2·°С)	Среднее значение FUL, Вт/(м2·°С)	В процентах от FUL штатного коллектора	В процентах от FUL по ГОСТ
1.	Штатная	4,7-5,8	5,25	100	91
2.	Без теплоизоляции	6,6-7,5	7,05	134	122
3.	Коробка из пергамина	5,7-6,7	6,2	118	107
4.	Коробка из пергамина с одной перегородкой	5,2-6,2	5,7	109	98
5.	Коробка из пергамина с двумя перегородками	5,5-6,5	6,0	114	103
6.	Вкладыши в полости коллектора	6,9-7,0	7,0	132	121
7.	Вкладыши в полости коробки из пергамина	5,5-6,4	8,0	114	103

Из анализа результатов следует, что в пределах разрешенной погрешности определения FU_L (±10%) находятся все теплоизоляционные конструкции кроме вкладышей в полости коллектора.

В общем случае удельная стоимость теплоизоляции коллектора должна быть ниже или равна стоимости тепловой энергии, теряемой через данную изоляцию за определенный срок эксплуатации:

(3)

где С_u — стоимость теплоизоляции, руб/м²;
— коэффициент теплопроводности, Вт/(м²°С);
t_ж — средняя температура жидкости в коллекторе, °С;
t_в — средняя температура воздуха в течении сезона эксплуатации коллектора, °С;
n — продолжительность эксплуатации коллектора в течении сезона, час/год;
T — число лет эксплуатации коллектора до полной окупаемости;
C_m — стоимость тепловой энергии от традиционных источников, замещаемых гелиоустановкой, руб/Вт;
I_m — коэффициент прогнозного изменения стоимости тепловой энергии в пределах заданного срока окупаемости.

Результаты расчетов по формуле [З] показали, что при условно одинаковой производительности Ковровского коллектора с равной толщиной 0,05 м теплоизоляции из пенополиуретана и с воздушной прослойкой при t_ж = 30°С, t_в = 15°С, n = 2160 ч/год, Т = 10 лет, C_m = 0,2·10³ руб./Вт, I_m = 7,07 (прогноз 30% инфляции в первый год и далее в среднем 10% в год) стоимость конструкции с воздушной прослойкой может быть сокращена в 4-5 раз.

С учетом изложенного можно сделать следующие выводы:

1. В России имеется достаточно большой опыт проектирования и эксплуатации гелиоустановок. При этом требуется доработка применительно к современным условиям Норм и рекомендации по проектированию гелиоустановок [14],[15].
2. Для южных регионов России имеются достоверные данные интенсивности солнечной радиации для проектирования гелиоустановок, а также методики для их уточнения.
3. На российском рынке солнечных коллекторов наилучшее соотношение потребительских свойств и стоимости имеют изделия Ковровского механического завода. Представлены также коллекторы фирмы «Конкурент» (г. Жуковский, Московской обл.), НПО «Машиностроение» (г. Реутово, Московской обл.), нескольких украинских производителей.
4. В современных экономических условиях для повышения объективности предложены формулы для определения срока окупаемости гелиоустановок по стоимостным показателям, а также срока энергетической окупаемости.
5. Для российского рынка необходим солнечный коллектор, который совмещает приемлемые технические характеристики совмещал с низкой стоимостью. На основе анализа расчетных и экспериментальных данных на Ковровском механическом заводе налажен выпуск солнечных коллекторов с теплопоглощающей панелью из латунной трубки и стальными ребрами, а в качестве теплоизоляции применены короба из пергамина.
6. Предложена формула для определения предельной удельной стоимости теплоизоляции коллекторов.
7. Десятилетний опыт успешной эксплуатации гелиоустановок горячего водоснабжения свидетельствует о перспективности и приоритетности данного направления использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

[1] — Бутузов В.А. Анализ опыта разработки и эксплуатации гелиоустановок в Краснодарском крае // Промышленная энергетика, № 2,1997

[2] — Рабинович М.Д. Сравнение различных методов представления климатологической информации при расчете производительности гелиосистем // Гелиотехника, № 3,1986

[3] — Валов MM., Горшков Б.Н., Некрасова Э.И. О точности определения интенсивности солнечной радиации при расчетах гелиоустановок // Гелиотехника, №6,1982

[4] — Научно-прикладной справочник по климату СССР. Часть 3. Многолетние Выпуск 13. Часть 1. Солнечная радиация и солнечной сияние- Л.: Гтдроитноиздат, 1990

[5] — Справочник по климату СССР. Часть 1. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние-Л.: Гидрометеоиздат, 1966

[6] — Отчет о НИР «Разработка рекомендаций по проектированию гелиоустановок котельных и ЦТП» // Краснодарская лаборатория энергосбережения и нетрадиционных источников энергии Академии коммунального хозяйства — Краснодар, 1989

[7] — Бутузов В.А. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии в системах теплоснабжения Краснодарского края // Краснодар, 1989

[8] — Отчет о НИР «Исследования и разработка гелиоустановок для систем теплоснабжения заводов МЖК и пионерлагеря «Чайка» в пос. Джанхот // Краснодарская лаборатория энергосбережения и нетрадиционных источников энергии Академии коммунального хозяйства. Краснодар, 1991

[9] — Отчет о НИР. Схема размещения нетрадиционных возобновляемых источников энергии в Краснодарском крае. Технико-экономический доклад. Часть 2. Оценка гелиоэнергетических ресурсов Краснодарского края и рекомендации по их техническому использованию для выработки тепловой и электрической энергии — АО Ленгидропроект. АОЗТ «Гидротех» № 030-23-27 С.-Петербург, 1994

[10] — Отчет о НИР. Разработка климатических характеристик для нормативных документов по строительному проектированию, техническому нормированию и других целей ГГО им. А. И. Воейкова, Л. 1990

[11] — Baron S. The embedded energy cont in solar energy systems / 19 th Intersoc Energy Convers / Eng. Conf., San-Francisco, Calif, 1984

[12] — Бутузов В.А. Анализ опыта проектирования и эксплуатации гелиоустановок горячего водоснабжения в сборнике «Энергосбережение на Кубани», Краснодар, Советская Кубань, 1999

[13] — ГОСТ 28310-89 Коллекторы солнечные. Общие технические условия. М.: Госстандарт, 1999

[14] — Нормы проектирования. Раздел «Установки солнечного горячего водоснабжения»: ВСН 5286 / Госгражданстрой СССР: — М. 1987

Источник: Журнал ВСТ

Эта статья прочитана 8300 раз(а)!

Продолжить чтение