СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С.В. Онищенко, студент 3 курса инженерно-физического факультета Научный руководитель П.Ю.Бучацкий, к.т.н., доцент Аннотация. В данной статье рассмотрены различные типы систем солнечного теплоснабжения с целью выявления наиболее подходящих и оптимальных из них. Сделано это на основании сведений о климатических условиях нашей страны. Автором дается рекомендация о том какие из систем в целом возможно применять на территории России. Однако в силу значительного различия климатических условий регионов, отдельно отмечается какой тип систем хорошо подходит для территории Краснодарского края и республики Адыгея. Ключевые слова: системы солнечного теплоснабжения (ССТ), горячее водоснабжение (ГВС), режим работы системы, одноконтурная система. Актуальность данной темы: В настоящее время, все большую распространенность приобретают различные способы получения энергии, основанные на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ). Данные говорят о том, что с каждым годом по всему миру увеличивается число энергии, вырабатываемой солнечными установками и ветрогенераторами. Не являются исключением и системы солнечного теплоснабжения (ССТ). Сильный рост данного направления наблюдается в странах Европы, где он составляет 10-12% ежегодно уже на протяжении последних десяти лет. По некоторым данным, площадь солнечных коллекторов (СК), установленных на территории европейских стран составляет более 11 млн. м2. Такая заинтересованность в данных системах вызвана не только ухудшением экологической ситуации в мире. Немаловажным фактором такого интереса стала достаточно высокая цена органических видов топлива (нефть, уголь, газ и др.). По большей части, именно рост цен на традиционные источники энергии спровоцировал развитие этого направления. Опыт использования солнечных коллекторов показал, что их можно успешно применять для различных целей: Снабжение различных объектов горячим водоснабжением Отопление жилых и общественных зданий Подогрева воды в бассейнах Опреснение воды и др. Однако, ССТ, нашедшие широкое применение в странах Европы, практически не используются в России. Это произошло потому, что в нашей стране эти системы не получают никакой поддержки (финансовой и законодательной). Однако это направление остается достаточно перспективным и, скорее всего, получит большее развитие и поддержку в будущем, так как оно обладает рядом преимуществ по отношению к традиционным видам топлива и позволяет экономить их. Цели и задачи Цель: Рассмотреть и проанализировать основные типы систем солнечного теплоснабжения с целью определения наиболее оптимальной и выгодной. Задачи: Рассмотреть основные типы систем солнечного теплоснабжения; Определить какие из них наиболее подходят для применения в климатических условиях нашей страны; Так же рассмотреть какие из установок выгоднее применять в конкретной местности (Юг России). Расчет основных характеристик солнечных установок. Солнечные системы теплоснабжения – это системы, использующие солнечную энергию для нагрева воды, с целью обеспечения горячим водоснабжением различных объектов или же осуществляющие отопительную функцию. Для того чтобы определить целесообразность размещения установки в конкретном месте только лишь сведений о климатических условиях в этом регионе недостаточно. Необходимы еще и количественные данные, которые характеризуют эффективность применения солнечных установок. Существуют различные методы, позволяющие на основе климатических условий и характеристик применяемого оборудования, вычислить его основные параметры: коэффициент замещения тепловой нагрузки объекта (доля солнечной энергии в покрытии нагрузки) f за некоторый рассматриваемый период времени (месяц, сезон, год); полезная теплопроизводительность установки Q за этот период; площадь СК в установке F. [1]. В работе [2]. проведены расчеты для различных регионов нашей страны, с целью нахождения этих характеристик. В расчетном плане рассматривались следующие режимы работы установок: 1) Работа систем в режиме теплоснабжения; 2) Режим круглогодичного горячего водоснабжения; 3) Режим сезонного горячего водоснабжения. При этом, первые два приведенных примера требуют создания системы с двумя контурами, когда в первом коллекторном контуре теплоносителем является антифриз, а тепло к потребителю в бак-аккумулятор (БА) отводится через теплообменник. Сезонные установки могут быть и одноконтурными, заполняемые непосредственно водой. Так же важным параметром для расчетов является тепловая нагрузка. Нагрузка горячего водоснабжения определяется в расчете на одного человека. Поэтому расчет параметров солнечной установки ГВС удобно производить исходя из удельной нагрузки (в расчете на одного человека). При таком методе, рассчитанные результаты будут универсальны, так как значения, полученные в расчете на одного человека, остаются неизменными, и лишь площадь коллекторов увеличивается кратно, в зависимости от количества людей, использующих горячую воду(потребителей). Намного сложнее определить отопительную нагрузку. Она зависит помимо климатических условий от характеристик каждого здания: его объема, термического сопротивления стен и перекрытий, общих потерь тепла (неидеальность утеплителей). В данном случае не существует никакого четкого метода решения этой задачи, поэтому расчет приходится выполнять конкретно для каждого здания в отдельности. Другими важными параметрами для расчета являются климатические данные данной местности, а именно – средние значения за месяц суммарной и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность и среднемесячная температура воздуха. Одним из весомых положительных эффектов от использования солнечной установки (помимо экологического) является экономия топлива. При определении таковой в результате использования солнечной установки желательно знать КПД замещаемого топливного устройства. [3] Классификация систем солнечного теплоснабжения. Системы солнечного теплоснабжения могут быть классифицированы по нескольким критериям: 1. по назначению: системы отопления системы горячего водоснабжения (ГСВ) комбинированные системы 2. по продолжительности работы: круглогодичные сезонные 3. по виду теплоносителя: жидкостные воздушные 4. по виду схемы: одноконтурные схемы двухконтурные схемы многоконтурные схемы [1] Выше приведенные критерии позволяют спроектировать (после соответствующих расчетов) оптимальную систему с наиболее эффективной тепловой мощностью, исходя из климатических условий и общей целесообразности применения этой системы в данной местности. Выбор режима работы системы солнечного теплоснабжение и влияние на него климатических условий. Чтобы использовать установку в режиме теплоснабжения (т.е. она обеспечивает потребителю горячее водоснабжение и частично выполняет роль отопления) необходимо чтобы площадь солнечного коллектора составляла бы не менее 40% от площади отапливаемых помещений. Однако в летнее время такая установка не применяется в полной мере и стало быть ее целесообразность не слишком велика. По расчетам исследования из источника[2] такой режим работы благоприятен лишь для нескольких регионов( в частности Забайкалья) Вторым способом использования может стать использование системы в режиме круглогодичного горячего водоснабжения. При данном режиме работы мы достаточно широко и полно используем возможности и добиваемся весомой экономии топлива. Такое использование позволяет добиться неплохих результатов. Особенно хороши такие установки в более южных широтах (ориентировочно южнее 60 градусов с.ш.) Рекомендуемая площадь солнечного коллектора приблизительно составляет от 1 до 1,5 м2. Третьим способом является использование установок для сезонного снабжения потребителей горячей водой. При таком режиме работы сразу видно одно явное преимущество – нам потребуется одноконтурная система без дополнительных теплообменников и других достаточно сложных элементов. Однако здесь наблюдается снижение общей теплопроизводительности, по сравнению с системой круглогодичного горячего водоснабжения. Применение таких типов установок не является целесообразным в тех регионах, где неотопительный сезон длится менее пяти месяцев. В данном случае, рекомендуемая площадь коллектора должна составлять около 1 м2 на человека. Вывод Опираясь на выше изложенный материал, становится понятно, что наиболее подходящей для условий в нашей стране является солнечная установка, действующая в режиме сезонного или круглогодичного горячего водоснабжения. С учетом климатических условий ясно, что это должна быть двухконтурная система, где в коллекторном контуре циркулирует незамерзающий теплоноситель (рис. 1). Рис. 1. Принципиальная схема двухконтурного термосифонного солнечного водонагревателя При соответствующем увеличении площади СК и объема БА эта солнечная установка, выполненная по данной схеме, может быть использована и в режиме теплоснабжения (ГВС + отопление). Однако для нашей местности и территории Краснодарского края в целом, может хорошо себя зарекомендовать и одноконтурная система. Данная система более проста в реализации и имеет более низкую стоимость, так как нам не требуется наличие специального теплоносителя (в роли теплоносителя выступает вода). Но следует отметить, что такая установка будет исключительно сезонной, так как воду на период холодов будет необходимо сливать из системы во избежание повреждения коллекторов. В заключении можно сказать, что такие системы могут найти широкое применение в южных регионах нашей страны. Они могут быть применены и в других регионах, однако тогда будет необходимость в установке дополнительных нагревательных элементов (для поддержания необходимой температуры). В этом случае выгода меньше, однако, она присутствует (греем мы воду уже нагретую системой до некоторой температуры). Список литературы: 1. Шершнев В. Системы солнечного теплоснабжения // Журнал «Строительная инженерия» №1 2006.-пункт №8. 2. Тарнижевский Б.В. Оценка эффективности применения солнечного теплоснабжения в России. // «Теплоэнергетика» № 5, 1996.–С. 15–18. 3. Бекман У., Клейн С., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения.– М.: Энергоиздат, 1982.
