ВОПРОСЫ ТЕОРИИ. И ИННОВАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ. ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГЕЛИОУСТАНОВОК

На основании результатов исследований автора Крас­нодарской лабораторией энергосбережения и нетрадици­онных источников энергии АКХ были разработаны Реко­мендации по проектированию гелиоустановок котельных и ЦТП. В данной работе были исследованы следующие во­просы: анализ опыта эксплуатации солнечно-топливных котельных и ЦТП с гелиоустановками; методики расчё­тов солнечной радиации в условиях Краснодарского края; теоретические основы проектирования гелиоустановок и выбор оптимального варианта размещения солнечных коллекторов; основные теплоэнергетические показатели и схемные решения гелиоустановок котельных и ЦТП; ана­лиз экономической целесообразности сооружения и экс­плуатации гелиоустановок котельных и ЦТП, в том чис­ле принципы сопоставимости, структуры капитальных вложений, годовые эксплуатационные затраты, расчёт экономии топлива, эффект от снижения вредных выбро­сов, определение экономически целесообразных удельных капитальных вложений на сооружение гелиоустановок, стоимостей солнечных коллекторов, металлоконструк­ций. В указанных рекомендациях на основании обработки многолетних данных интенсивности солнечной радиации городов Краснодара и Геленджика по известным методи­кам были определены расчётные месячные теплопроизво­дительности выпускаемых до 1990 г. отечественных кол­лекторов при углах наклона 30° и 45° к горизонту.

Анализ экономических показателей гелиоустановок горячего водоснабжения, построенных в 1999-2000 гг., выполнен в работе [101]. В табл. 3.28 приведены техниче­ские показатели 10 таких установок. На них применены солнечные коллекторы Ковровского механического завода различных конструкций теплопоглощающей панели и те­плоизоляции. Коллекторы размещены на кровлях зданий, либо на навесах. Баки-аккумуляторы выполнены из не­ржавеющей стали, стали СтЗ с различными покрытиями. Теплоизоляция баков - стекловата и оцинкованная сталь. Схемы гелиоустановок - одноконтурные, циркуляция воды через солнечные коллекторы - термосифонная или на­сосная. Режим работы гелиоустановок - сезонный. В табл. 3.29 представлены стоимостные показатели гелиоустано­вок, приведённые к ценам 2000 г. по курсу 1 дол. США = 28 руб. Стоимость гелиоустановок, построенных в 1999 г. пересчитаны с учётом официальных показателей ин­фляции за соответствующий период. При анализе пока­зателей общая стоимость гелиоустановки распределена на следующие составляющие: солнечные коллекторы, учитывающая как собственно их стоимость, так и затра­ты на их монтаж; металлоконструкции и трубопроводы, включающая стоимость материалов, вспомогательного оборудования, арматуры, теплоизоляции и их монтаж; бак-аккумулятор с его монтажом и теплоизоляцией; про­чие расходы: проектирование и наладка. В табл. 3.30 приведены экономические показатели указанных выше гелиоустановок.

В общем случае при условии равенства эксплуатацион­ных затрат гелиоустановки и традиционного энергоисточ-

ника срок экономической окупаемости гелиоустановки мо­жет быть определён по формуле

где Ту - срок экономической окупаемости, лет; Кт, Кт - ка­питальные вложения в гелиоустановку и замещаемый тра­диционный энергоисточник, руб.; Q - годовое количество тепловой энергии, выработанное гелиоустановкой, кВт ч; Ст - стоимость замещаемой тепловой энергии, руб./кВт-ч.

Капитальные вложения на сооружение гелиоустановки определяются по формуле

(3.35)

где Кг - капитальные вложения в гелиоустановку, руб.; kg - удельные капитальные вложения на сооружение ге­лиоустановки, руб./м2; q - удельная теплопроизводитель­ность гелиоустановки, кВт-ч/ м2.

Соответственно из формул (3.34) и (3.35) следует, что удельные капитальные вложения на сооружение гелиоу­становки выражаются уравнением:

(3.36)

Согласно нормам проектирования удельная теплопро­изводительность гелиоустановки определяется по формуле

(3.37)

где г|г - КПД гелиоустановки; Js, Jd - интенсивность пря­мой и рассеянной солнечной радиации, падающей на гори­зонтальную поверхность в течение усреднённых суток рас­чётного месяца, кВт-ч/м2; Ра — коэффициент положения солнечного коллектора для прямой солнечной радиации; Ъ — угол наклона солнечных коллекторов к горизонту.

Расчётное годовое количество тепловой энергии, выра­батываемое гелиоустановкой, выражается уравнением

Q = nG'Tcv(t2-t1),

где Q — расчётное годовое количество тепловой энергии, кВт-ч; Gr' - расчётный суточный расход горячей воды по­требителя для месяца с минимальным уровнем солнечной радиации (для гелиоустановок без дублёра), кг; п — продол­жительность эксплуатации гелиоустановки, ч.

Таким образом, удельные капитальные вложения на сооружение гелиоустановки определяются по формулам

К=К+К«+Ьб+К’ (3.40)

где kK, ftMK, k6, йпр - удельные капитальные вложения соот­ветственно в солнечные коллекторы, металлоконструкции и трубопроводы, бак-аккумулятор и прочие; принимаются для каждой гелиоустановки с учётом конкретных условий.

Удельные капитальные вложения в солнечные коллек­торы целесообразно определять, ограничив значения их расчётных КПД - r|max, из уравнения

к™+jdcos2||rcT+raG, J;2_fi)]-(feMK+fe6+fenp). (з.41)

По результатам расчётов по формуле (3.41) принимает­ся решение по выбору конкретной конструкции солнечно­го коллектора и для него определяются капитальные вло­жения в гелиоустановку по формуле

nG'Tcv (t2 - )(kT + Амк + + fcnp)

І‘в““ - a -- 2

Уточнённый расчётный срок экономической окупаемо­сти гелиоустановки принимается по формуле:

В табл. 3.31 приведены экономические показатели гели­оустановок. При определении стоимости сооружения заме­щаемого традиционного энергоисточника приняты затраты на приобретение и монтаж электрокотлов катодного типа отечественного производства, насосов, трансформаторных подстанций в ценах июля 2000 г. при курсе 1 дол. США - 28 руб. Стоимость замещаемой электрической энергии при­нята 0,9 руб./(кВт-ч) - 0,032 дол. СШАДкВт-ч). В данной таблице приведены результаты расчётов сроков экономиче­ской окупаемости гелиоустановок по формуле (3.43).

Минимальный срок окупаемости - 3,7 года имеет гелиоустановка в г. Темрюк, что объясняется шестиме­сячным сроком эксплуатации. Максимальные сроки оку­паемости имеют гелиоустановки базы отдыха «Элита» (г. Анапа) - 10,2-10,4 года как следствие трёхмесячного срока эксплуатации и применения баков из нержавеющей стали. Гелиоустановки с баками из обычной стали имеют сроки окупаемости 3,7-6,6 года, с баками из нержавеющей стали - 7,7-10,4 года, т. е. в полтора-два раза больше.

Значительные сроки окупаемости гелиоустановок и рост цен на органическое топливо ставят под сомнение экономи­ческие показатели на столь отдалённую перспективу. В этих условиях целесообразно дополнительно определить срок энер­гетической окупаемости гелиоустановок, сопоставив количе­ство энергии, выработанное гелиоустановкой за год с энерго­затратами на производство материалов гелиоустановки:

где Е/?гскЭск, Т. туЭу — массы и энергоёмкости материалов со-

ответственно солнечных коллекторов и остальных элемен­тов гелиоустановки (металлоконструкций, трубопроводов, баков-аккумуляторов гелиоустановок), кВт ч; q - удельное количество тепловой энергии, вырабатываемое гелиоуста­новкой за год, кВт-ч/м2.

При сооружении 10 гелиоустановок, представленных в табл. 3.31, применены солнечные коллекторы следующих конструкций: № 1 - поглощающая панель из латунной трубки, стальных рёбер, теплоизоляционная воздушная коробка из пергамина с покрытием тыльной стороны ДВП и пергамином; № 2 - то же со стальными ребрами, теплои­золяция из пенополиуретана, покрытие тыльной стороны из стального листа; № 3 - то же с алюминиевыми погло­щающими рёбрами, теплоизоляция из пенополиуретана с покрытием тыльной стороны из стального листа.

Удельная энергоемкость материалов конструкций сол­нечных коллекторов, кВт ч/м2, составила соответственно для № 1 - 2826; № 2 - 3518; № 3 - 4961 [101]. Из анализа данных значений следует, что для различных конструк­ций солнечных коллекторов с увеличением КПД на 7-10 % удельная энергоёмкость возрастает на 57 %.

На рис. 3.41 представлены структура стоимости, удель­ной материалоемкости и энергоемкости указанных выше гелиоустановок.

Таким образом, опыт разработки методологических основ проектирования гелиоустановок горячего водоснаб­жения и их строительства позволяет сделать следующие выводы.

1. Исследования гелиоустановок горячего водоснабже­ния большой производительности позволили установить необходимость выполнения режимно-наладочных испыта­ний, в результате которых их КПД увеличивается на 17­21 %. В отличие от зарубежных аналогов при увеличении производительности их удельная стоимость существенно не изменяется. Сопоставление значений сроков окупаемо-

Рис. 3.41.

Структура стоимости, удельных материалоемкости и энергоемкости гелиоустановок сти гелиоустановок с площадью солнечных коллекторов 96-326 м2 с аналогичными показателями при площади 22-54 м2 не выявило их уменьшения. В структуре стоимо­сти гелиоустановок основные затраты приходятся на при­обретение и монтаж солнечных коллекторов (40,0-67,0 %), при этом наибольшие значения характерны для импорт­ных коллекторов. Применение баков-аккумуляторов из нержавеющей стали значительно увеличивает срок окупа­емости гелиоустановок.

2. Солнечно-топливные котельные в отличие от гели­оустановок ГВС характеризуются большими значениями КПД и меньшей удельной стоимостью монтажа, эксплуа­тации. Установлена взаимозависимость эффективности ра­боты гелиоустановок и КПД котельных.

3. Анализ тенденций повышения стоимости органиче­ского топлива, с одной стороны, и снижения цен на обору­дование с использованием ВИЭ по мере совершенствования технологий их производства, с другой, показал целесоо­бразность определения срока энергетической окупаемости гелиоустановок при сопоставлении количества энергии, выработанной за год с энергозатратами на производство её оборудования и материалов.

4. В соответствии с методическими основами проекти­рования с 1987по 2003гг. выполнена разработкаи строитель­ство 42 гелиоустановок горячего водоснабжения, эксплуа­тация которых подтвердила их расчётные характеристики. Завершено также проектирование ещё 20 гелиоустановок с общей площадью солнечных коллекторов 1903 ж2.Рис. 3.40. Месячный график работы гелиоустановки солнечно-топливной ко­тельной в Анапе

[1] nkh

где R - расстояние между скважинами; rc, - радиус рабочей скважины с постоянным давлением р0; ps - давление в слое; рэ - давление на забое эксплуатационной скважины; Q. - расход жидкости, подаваемой в скважину; k - коэффици­ент проницаемости слоя; ц - коэффициент динамической вязкости; h - высота образованного водоносного горизонта; Fo - число Фурье.

[2] Данные по ст. Геленджик получены на ведомственной метеостан­ции «Сатурн».