Гелиоустановки с солнечными воздушными коллекторами

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