Солнечная энергия для ГВС: от теории – к практике
Опубликовано: 06 сентября 2010 г.
550
В. Харченков, д. т. н., В. Чемеков
Для южных регионов нашей страны, одно из важнейших направлений развития которых – курортное, использование экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ) становится особенно актуальным. Для энергообеспечения Черноморского побережья Краснодарского края рассматривается возможность использования солнечных систем теплоснабжения, ветроэнергетических установок, а также гидроэнергетических установок, использующих энергию малых рек и ручьев. Даже сейчас, при сравнительно дешевом органическом топливе, установки на ВИЭ в ряде случаев оказываются экономически более целесообразными. По мере дальнейшего удорожания топливных ресурсов эффективность их применения значительно возрастет.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Более 60 % энергопотребления жилых и общественных зданий курортных регионов приходится на системы отопления и горячего водоснабжения (ГВС). В большинстве случаев теплоснабжение индивидуального жилья и мини-гостиниц, доля которых весьма значительна, осуществляется от электрической энергии. Для обеспечения ГВС, в основном, применяются накопительные водонагреватели различной емкости и мощности, а для отопления – проточные электронагреватели в комбинации с котлами на твердом топливе.
Использование электроэнергии для теплоснабжения, с одной стороны, легко реализуемо и доступно, а с другой – невыгодно из-за более высокой стоимости, по сравнению с другими традиционными энергоносителями.
В то же время в южных регионах наблюдаются дефицит генерирующих мощностей и изношенность электрических сетей. Это вызывает частые аварии, особенно в летнее время. При увеличении электропотребления и снижении пропускной способности линий электропередачи качество электроэнергии у конечного потребителя существенно снижается. Как следствие, ухудшается надежность функционирования систем теплоснабжения.
Решением проблемы сезонного обеспечения ГВС в летний период, когда потребление горячей воды существенно увеличивается за счет притока большого количества отдыхающих, является внедрение систем на основе использования солнечной энергии, в частности, солнечных водонагревательных установок (СВУ) и солнечных коллекторов (СК).
Такой подход во многом обоснован благодаря высокой продолжительности солнечного сияния в условиях реальной облачности. На Черноморском побережье Краснодарского края она составляет 2000–2300 ч/год, а максимальная годовая сумма прямой солнечной радиации на нормальную к солнечным лучам поверхность – 4000–5000 МДж/м2. Такие параметры солнечного излучения благоприятствуют созданию экономически эффективных систем преобразования солнечной энергии.
Использование установок на основе возобновляемых источников энергии позволяет решить такие задачи, как покрытие дефицита топлива за счет внедрения возобновляемых источников энергии; сокращение использования электрической энергии в часы максимума нагрузок энергосистемы, что улучшает ее работу; покрытие дефицита теплогенерирующих мощностей; обеспечение надежности и гибкости теплоснабжения потребителей. Авторами данной статьи выполнен подбор основного оборудования солнечной системы ГВС сезонного действия на примере индивидуального жилого дома, используемого в качестве мини-гостиницы.
Экспериментальный двухэтажный жилой дом (рис. 1) общей площадью 240 м2 расположен на побережье Черного моря, в Туапсинском районе Краснодарского края. Существующая система ГВС дома выполнена на основе 80-литрового емкостного электроводонагревателя с нагревательным элементом мощностью 1,5 кВт. Время нагрева воды от 15 до 75 °С – примерно 170 мин. При этом расход электроэнергии на ГВС за год составит 2548 кВт•ч. Такой водонагреватель способен обеспечить суточную потребность в горячей воде двух человек, чего явно недостаточно для обеспечения комфортных условий проживания в мини-гостинице.
Для проектирования системы СВУ приняты следующие расчетные параметры:
• географическое положение местности: широта ϕ = 44° 03', долгота l = 39° 11' и высота местности над уровнем моря H = 100 м;
• годовой приход солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность Е = 1388 кВт•ч/м2;
• температура наружного воздуха +20 °С;
• температура горячей воды tг.в = 55 °С;
• температура холодной воды tх.в = 15 °С;
• число жителей в летний (май-сентябрь) период n = 10;
• норма суточного расхода горячей воды a = 50 л/чел.;
• степень замещения за период с мая по сентябрь f = 1.
Среднечасовой расход теплоты на горячее водоснабжение, Вт, определяется по известной формуле:
Qгв.ср = (1,2 • с • (tг.в – tх.в) • n • a) : (3600 • 24), (1)
где с – удельная массовая теплоемкость воды, равная 4187 Дж/(кг•°С).
Формула справедлива при наличии единого домового бака-аккумулятора, рассчитанного на суточный расход горячей воды.
Тепловая нагрузка объекта по ГВС за сезон определяется умножением среднесуточного расхода теплоты на расчетное число суток работы систем горячего водоснабжения. Теплопотребление на ГВС и расход горячей воды за летний период в зависимости от количества человек представлены в табл. 1.
Для предварительного расчета систем теплоснабжения с использованием солнечной энергии рекомендуется графический метод зависимости степени замещения f (доли солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки) от безразмерного параметра
θ = EHA/QH. (2)
Величины EH (поступление солнечной энергии на поверхность СК) и QH (тепловая нагрузка) относятся к расчетному периоду: для систем ГВС круглогодичного или сезонного действия – один год или летний сезон соответственно. С помощью данной зависимости можно определить годовое значение fгод при заданной площади поверхности солнечных коллекторов А или, наоборот, – площадь поверхности коллекторов А, обеспечивающую заданное значение fгод.
Предварительно можно сказать, что удельная площадь поверхности СК, в зависимости от назначения системы, для систем горячего водоснабжения принимается ориентировочно равной 1–2 м2/чел. Удельный расход теплоносителя в СК на 1 м2 площади поверхности СК для жидкостных систем равен 0,01–0,02 м3/с. Удельный объем водяного аккумулятора теплоты равен 0,05–0,15 м3/м2.
Для принятых расчетных параметров и требуемом теплопотреблении на ГВС за летний период, равном 5412 кВт•ч, площадь поверхности СК для рассматриваемого жилого дома составит 15 м2. Расчеты выполнены для солнечных коллекторов КМЗ производства ОАО «Ковровский механический завод», технические характеристики которых представлены в табл. 2.
Основной частью СК является медный поглотитель с покрытием, обеспечивающим высокий уровень поглощения солнечной энергии и низкий уровень излучения тепла. На поглотителе установлена медная трубка, через которую циркулирует теплоноситель, при этом происходит отбор тепла от поглотителя. Поглотитель размещается в корпусе с усиленной теплоизоляцией, обеспечивающей минимум потерь тепла коллектора. С лицевой стороны коллектор покрыт специальным стеклом с низким содержанием металлов, что позволяет уменьшить потери на отражение солнечной радиации. На боковой стороне солнечного коллектора расположены подающие и обратные трубопроводы, что позволяет легко соединять между собой несколько солнечных коллекторов в панели необходимой площади.
Солнечные коллекторы размещают на южном скате кровли (рис. 2) и подключают по последовательной схеме, обеспечивая при этом режим максимального расхода теплоносителя. Это также позволяет достичь меньшего разброса температур для подающей и обратной магистралей трубопровода контура солнечного коллектора.
Производительность СК существенно зависит от его ориентации по сторонам света и от угла наклона к горизонту. Самого высокого коэффициента энергоотдачи можно добиться при ориентации СК в южном направлении. Но даже при отклонении до 45° на юго-запад (или юго-восток) солнечный коллектор дает почти 95 % максимальной энергоотдачи. Оптимальный угол наклона солнечного коллектора βопт к горизонту принимается для систем ГВС круглогодичного действия равным широте местности ϕ, для системы сезонного действия – равным широте ϕ минус 15°.
Объем водяного бака-аккумулятора для СВУ подбирается, исходя из принятой площади солнечных коллекторов, и составляет для рассматриваемого случая 0,75 м3. Это значение следует принимать как верхний экономически обоснованный предел. Минимальный же объем бака аккумулятора рекомендуется принимать не менее 50 % суточной потребности в горячей воде. В этом случае минимальный объем бака для рассматриваемой системы составит 300 л.
При проектировании систем СВУ следует учитывать то обстоятельство, что уровень солнечной радиации имеет максимум в полдень, а основной разбор горячей воды приходится на вечер и утро следующего дня. Поэтому целесообразнее принимать бак-аккумулятор большей емкости для создания необходимого запаса горячей воды. Тогда, с учетом суточного потребления горячей воды одним жителем и количества жителей, необходимый объем бака-аккумулятора составит в расчетном случае 500 л.
Рекомендуется применять баки-аккумуляторы, специально приспособленные для работы с солнечными коллекторами (рис. 3,а). Распространенным вариантом для нагрева воды от солнечного коллектора является бак с двумя встроенными теплообменниками: к нижнему подключается контур солнечного коллектора, а к верхнему – контур отопительного котла или теплового насоса. Тем самым обеспечивается резервирование солнечного коллектора в периоды пасмурной погоды и зимний период, когда плотность потока солнечной радиации мала.
Более эффективен для работы с солнечными коллекторами бойлер, оборудованный специальной термосифонной (зарядной) трубой (рис. 3,б), что позволяет нагревать лишь небольшое количество расходной воды. Нагретая расходная вода поднимается по трубе непосредственно в зону готовности, в верхней части бака, в которой при нормальной инсоляции уже через небольшой промежуток времени достигается заданная температура. Такие баки-аккумуляторы обычно имеют усиленную – от 50 до 100 мм – теплоизоляцию, благодаря чему температура воды в баке опускается не более чем на 5 °С/сут.
Для дополнительного догрева рекомендуется размещать в баке-аккумуляторе электроподогреватель, включаемый при низкой интенсивности солнечной радиации и падении температуры воды в баке ниже 50 °С. В предложенной для проектируемого объекта схеме (рис. 4) роль дополнительного нагревателя выполняет существующий емкостной электроводонагреватель. Он подключается после основного бака-аккумулятора и включается в работу, когда температура воды в основном баке ниже допустимого уровня.
Исходя из расчетов для покрытия нагрузок ГВС, принимается следующее основное оборудование СВУ:
• солнечные коллекторы площадью 1 м2 – 15 шт.;
• 500-литровый бак-аккумулятор;
• комплектная станция с регулятором контура солнечного коллектора.
Показанная СВУ работает следующим образом. При нормальном уровне солнечной радиации температура теплоносителя в солнечном коллекторе увеличивается. Если разница температур, регистрируемая датчиком температуры коллектора ТЕ1 и датчиком температуры бойлера ТЕ2, превышает значение, настроенное на контроллере, включается циркуляционный насос М1 комплектной станции. При циркуляции теплоносителя происходит передача тепловой энергии от СК в бак-аккумулятор.
Циркуляционный насос М1 выключается, если температура в бойлере достигнет заданного значения или если разность температур датчиков ТЕ1 и ТЕ2 будет меньше установленного значения.
В пасмурную погоду, при низкой плотности потока солнечной радиации, если солнечный коллектор не обеспечивает заданной температуры воды в бойлере, нагрев воды осуществляется в дополнительном электроводонагревателе, температура в котором контролируется датчиком ТЕ3.
Экономическую оценку целесообразности применения СВУ можно дать путем сравнения стоимости 1 ГДж тепловой энергии, отпущенной солнечной Сс и топливной Ст системами теплоснабжения. Если выполняется условие Сc < Ст, то система солнечного теплоснабжения считается экономически эффективной.
В то же время следует иметь в виду, что наряду с экономней топлива и электроэнергии при использовании СВУ большое значение имеют такие аспекты, как уменьшение загрязнения окружающей среды, сохранение традиционных топливных ресурсов, улучшение социальных условий, снижение нагрузки на электрическую сеть.
Экономическое обоснование внедрения на рассматриваем объекте СВУ приведено в табл. 3.
Итак, спроектированная СВУ обеспечивает сезонное ГВС индивидуального жилого дома с количеством проживающих 10 чел. при принятых расчетных условиях. При нормальной интенсивности солнечной радиации, принятой для широты местности в условиях Краснодарского края, солнечные коллекторы общей площадью 15 м2 в течение суток обеспечивают приготовление требуемого количества горячей воды. При действующих тарифах на электроэнергию (в качестве альтернативного варианта примем ГВС от электроводонагревателей с КПД 96 %) срок окупаемости затрат на приобретение оборудования для гелиоустановки составит около десяти сезонов. Если учесть круглогодичное проживание в доме хозяев мини-гостиницы, затраты на приобретение альтернативных нагревателей и т.д., эта цифра уменьшится, но все равно окажется весьма существенной.
В то же время с учетом перспективы роста тарифов, а также преимуществ, которые владелец коттеджа получает за счет повышения качества гостиничных услуг, затраты на решение проблемы ГВС за счет СВУ представляются вполне приемлемыми.
Статья напечатана в журнале «Аква-Терм» #2(42) 2008