Гелиоустановки с солнечными воздушными коллекторами: перспективы применения в России http://www.geleo.boom.ru/article09.htm Анализ технических аспектов разработки и эксплуатации гелиоустановок горячего водоснабжения с солнечными жидкостными коллекторами в России выполнен автором в статье [1], их экономических показателей в статье [2]. Зарубежный опыт свидетельствует, что наряду с жидкостными солнечными коллекторами в гелиоустановках определённое распространение получили воздушные солнечные коллекторы. На фото 1 представлена одна из воздушных гелиоустановок в Германии. На рис. 1 представлена схема отопления объекта с использованием воздушных солнечных коллекторов. Рисунок 1. Схема воздушного солнечного отопления Выбор теплоносителя для гелиоустановок определяется рядом факторов, подробно рассмотренных Андерсоном в работе [3], основными из которых являются: вид тепловой нагрузки, обеспечиваемой гелиоустановкой (отопление, горячее водоснабжение); стоимость солнечного коллектора; энергозатраты для функционирования гелиоустановки. По совокупности затрат на сооружение и эксплуатацию воздушные гелиоустановки могут быть конкурентноспособными с жидкостными гелиоустановками, как правило при обеспечении отопительных нагрузок. Определяющей составляющей в эксплуатационных расходах воздушных гелиоустановок являются энергозатраты на циркуляцию воздуха. Удельная теплоёмкость воздуха 0,24 ккал / кг · °С, 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. Фото 1. Воздушная гелиоустановка В Европе крупнейшим производителем таких установок является фирма GRAMMER (Германия). При общем количестве смонтированных до 1995 года этой фирмой воздушных гелиоустановок 8100 м² (100 %) они распределялись 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 России в настоящее время имеется небольшой опыт разработки и применения воздушных гелиоустановок. Ковровским механическим заводом разработана конструкция и выпущена опытная партия воздушных солнечных коллекторов (фото 2) со следующими характеристиками: размеры геометрические — 1000 × 985 × 225 мм; площадь теплопоглощающей панели — 2,8 м²; материал теплопоглощающей панели — сталь 3; светопрозрачная изоляция — стекло 3 мм; теплоизоляция — полости из пергамина 50 мм; соединение коллекторов — фланцевое. Фото 2. Воздушный солнечный коллектор Два таких коллектора, соединённых последовательно по движению воздуха летом 1999 года были испытаны институтом «Ростовтеплоэлектропроект» в натурных условиях г. Таганрога. При интенсивности солнечной радиации 841 - 1027 Вт / м², при температурах воздуха на входе в солнечный коллектор 27 – 36 °С и его нагреве на 0,2 - 6,8 °С максимальный КПД коллектора 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: отопления бытовых помещений в г. Таганрог – 20 воздушных солнечных коллекторов, разработчик институт «Ростовтеплоэлектропроект»; отопления административного помещения в г. Будапешт (Венгрия) – 5 солнечных коллекторов, разработчик — Южно–русская энергетическая компания (г. Краснодар). Для определения перспектив применения воздушных гелиоустановок в условиях юга России на рис. 2 приведено сопоставление суммарной солнечной радиации для горизонтальной поверхности в г. Сочи по данным работы [4], теплопроизводительности 1 м² гелиоустановки с эксплуатационным КПД 50% и потребности одного человека в горячей воде с температурой 55 °С — 50 литров в день. Из рисунка следует, что потребность горячего водоснабжения одного человека почти полностью обеспечивается без теплового дублёра 1 м² гелиоустановки 8 месяцев в году (с апреля по октябрь). Для г. Сочи — самого благоприятного по климатическим условиям места России (расчётная температура наружного воздуха для отопления — 3 °С, продолжительность отопительного сезона — 103 суток) были выполнены расчёты обеспечения отопления жилого дома при работе гелиоустановки. Площадь жилого дома принята по средним данным по России [5] — 82,2 м², количество жителей — 4 человека, тепловые расчёты выполнены по Методическим указаниям Академии коммунального хозяйства [6]. Для средней температуры самого холодного месяца – января +5,9 °С расчётное теплопотребление жилого дома составило 3364 кВт · ч, в расчёте на 1 жителя при норме на него 10 м² площади здания, теплопотребление составило 841 кВт · ч или 84,1 кВт · ч / м². Сопоставление со значением суммарной солнечной радиации за январь – 32 кВт · ч / м² показывает, что при КПД гелиоустановки 50% она сможет обеспечить только 2% потребности одного человека в отоплении или 23% потребности в горячем водоснабжении. Расчётные значения теплопотребления указанного жилого дома за ноябрь, декабрь, февраль и март также показывают практическую нецелесообразность использования гелиоустановок для отопления. Рисунок 2. Сопоставление значений суммарной солнечной радиации в кВт · ч / м² на горизонтальную поверхность, теплопроизводительности гелиоустановки в кВт · ч / м² при КПД 50% и потребности человека в теплопотреблении горячей водой, кВт · ч / сутки Для ряда объектов курортного назначения, не работающих в зимнее время, актуален вопрос организации дежурного отопления с поддержанием температуры воздуха в зданиях +5 °С. Однако приведённые выше расчёты показывают нецелесообразность применения для данных объектов солнечного теплоснабжения. Для населённых пунктов юга России в течение отопительного периода характерно такое изменение температуры наружного воздуха, когда в течение дневного времени положительные температуры наружного воздуха совпадают с максимальным для данных суток уровнем солнечной радиации, а отрицательные температуры имеют место ночью. В этих условиях воздушные системы солнечного отопления без аккумулирования тепла будут востребованы производственными зданиями с односменным режимом работы, что подтверждается данными фирмы Grammer, а также применением новых систем вентиляции по методу вытеснения [7]. 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 конкурентноспособными с традиционными энергоисточниками без государственной поддержки. С учётом изложенного можно сделать следующие выводы: 1. Основными объектами воздушных гелиоустановок в условиях юга России следует считать промышленные здания при их работе без аккумулирования. 2. В ближайшие годы в России следует ожидать сооружения отдельных воздушных гелиоустановок, анализ опыта эксплуатации которых позволит определить перспективы их дальнейшего развития. Литература 1. Бутузов В. А. Солнечное теплоснабжение: состояние дел и перспективы развития. // Энергосбережение, 2000, № 4. 2. Бутузов В. А. Анализ энергетических и экономических показателей гелиоустановок горячего водоснабжения. // Промышленная энергетика, 2001, № 10. 3. Андерсон Б. Солнечная энергия: Основы строительного проектирования.— М. Стройиздат, 1982. 4. Бутузов В. А. Учёт интенсивности солнечной радиации при проектировании гелиоустановок. // Теплоэнергоэффективные технологии, СП- б, 2001, №3. 5. Пономарев И. Г., Макаренков С. В. Российский рынок бытовых газовых котлов. // АВОК, 2001, № 5. 6. Методические указания по определению расходов топлива, электроэнергии и воды на выработку тепла отопительными котельными теплоэнергетических предприятий.— М.: Академия коммунального хозяйства, 1994. 7. Живов А. М., Peter V . Nielsen , Gerald Riskowski , Шилькрот Е. О. Системы вытесняющей вентиляции для промышленных зданий. Типы, область применения, принципы проектирования. // АВОК, 2001, № 5. Бутузов Виталий Анатольевич, доктор технических наук