ВОПРОСЫ ТЕОРИИ. И ИННОВАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ. ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ГЕЛИОУСТАНОВКИ БОЛЬШОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
В 1989 г. по проекту автора в Краснодаре была построена и эксплуатируется до настоящего времени гелиоустановка издательства «Советская Кубань» с площадью солнечных коллекторов 260 м2. Солнечные коллекторы (432 шт.) размещены на кровле цеха. Ориентация их - южная, угол наклона к горизонту 45°, режим работы - сезонный: апрель-октябрь. Компоновка солнечных коллекторов - двухрядная. Баки-аккумуляторы (5 шт.) вместимостью по 4 м3 соединены параллельно и размещены на чердаке соседнего здания, превышающего на 8 м отметку верхней образующей коллекторов. Циркуляция воды осуществляется насосом К8/18. Солнечные коллекторы размерами 1000x600x100 мм изготовлены фирмой «Спец - гел иотеп ломонтаж» (г. Тбилисси). Теплопоглощающая панель - штамповано-сварная (материал СтЗ), имеет два патрубка Ду 20 мм. Панель покрыта черной эмалью; применено стекло толщиной 4 мм; обечайка корпуса выполнена из алюминиевого проката; теплоизоляция из листового пенопласта; с наружной стороны покрытие теплоизоляции - фанера (в 1999 г. заменена на фольгу из алюминия). На рис. 3.32 приведена схема трубопроводов этой гелиоустановки. В 1991 г., через два года после ее ввода в эксплуатацию Краснодарской лабораторией Академии коммунального хозяйства были выполнены режимно-наладочные работы. С учетом реального уровня солнечной радиации в течение нескольких недель июня-июля был определён средний эксплуатационный КПД гелиоустановки - 16 %. Причинами столь низкого КПД были отступления от проекта и неравномерное распределение воды через отдельные группы коллекторов. После изменения схемы соединения солнечных коллекторов, согласования гидравлических сопротивлений отдельных контуров циркуляции были проведены повторные испытания. В результате ее фактический КПД увеличился на 21 % и составил 37 %. Абсолютное значение температурной развёртки в характерных точках контуров циркуляции уменьшилось с 10 до 4 °С.
Гелиоустановка площадью 326 м2 для котельной в г. Тимашевск, разработанная автором, построена в 1989 г.
Солнечные коллекторы (340 шт.) размещены следующим образом: 98 штук - на кровле, 242 штук - на четырёх навесах вблизи здания котельной. Ориентация коллекторов - южная, угол наклона к горизонту 45°, режим работы - сезонный: апрель-октябрь. Компоновка коллекторов на кровле котельной - однорядная, на навесах - семирядная. Коллекторы размерами 1550x630x100 мм изготовлены заводом «Сибтепломаш» (г. Братск). Теплопоглощающая панель - штамповано-сварная из листовой стали СтЗ, имеет 4 патрубка Ду 20 мм с резьбовым подключением. Покрытие - гальваническое «чёрный хром», толщина стекла 5 мм, корпус — штампованный из листовой стали СтЗ, теплоизоляция - минеральная вата. Через три года после ввода установки в эксплуатацию были выполнены режимно-наладочные работы [162]. При этом были выявлены отклонения от проекта обвязки групп коллекторов трубопроводами, отсутствовала возможность совместной работы с водогрейным котлом. В результате обработки полученных при испытаниях данных по-новому выполнены врезки групп коллекторов, согласованы их гидравличе
ские сопротивления, внесены изменения в схему трубопроводов котельной, что обеспечило повышение эксплуатационного КПД гелиоустановки до 54 %.
Схема трубопроводов данной установки (рис. 3.33) предусматривает следующие режимы работы. Водопроводная вода после прохождения через Na-катионитовые фильтры, в которых снижается до нормативных значений ее жесткость, подогревается теплом гелиоустановки в теплообменнике и поступает в бак-аккумулятор. Утром следующего дня разжигается один из котлов «Братск-1Г», теплоноситель от которого подаётся в теплообменник до - грева. Горячая вода из бака-аккумулятора, нагретая накануне теплом гелиоконтура, насосом подается в теплообменник, где догревается теплоносителем котла и поступает во второй бак-аккумулятор, из которого осуществляется разбор горячей воды на потребление. Продолжительность работы котла 1—1,5 ч в сутки.
В Сочи для круглогодичного горячего водоснабжения корпуса санатория им. Фрунзе разработан проект гелиоустановки площадью 198,7 м2.
Целесообразность сооружения данной установки подтверждена технико-экономическим обоснованием, выполненным автором в Краснодарской лаборатории АКХ. Солнечные коллекторы (92 шт.) типа 2123 фирмы
Рис. 3.33.
Схема трубопроводов гелиоустановки котельной в г. Тимашевск:
1 — солнечные коллекторы; 2 — теплообменник гелиоконтура; 3 — насос гелиоконтура; 4 — Na-катионитовые фильтры; 5 — повысительный насос; 6 — баки - аккумуляторы; 7,8 — насосы горячего водоснабжения; 9 — теплообменник догрева
«AMCOR» (Израиль) имеют общую площадь 198,6 м2. Теплопоглощающая панель коллекторов выполнена из медных трубок со стальным оребрением, имеет селективное покрытие, защищена просветлённым градостойким стеклом, пенополиуретановой теплоизоляцией и алюминиевым корпусом. Габариты коллектора 1940x1240x95 мм, площадь 2,16 м2, масса 63 кг. Здание санаторного корпуса имеет плоскую мягкую кровлю, над которой выполнена кровля из алюминиевого профиля по деревянному каркасу. Для размещения солнечных коллекторов на отметке 34,5 м запроектирован новый каркас с опорой на 32 колонны, проходящие через обе кровли с передачей нагрузок на существующий железобетонный несущий каркас здания. Данное решение согласовано с генпроектировщиком - институтом «Южпроекткоммунстрой» для работы при 9-балльной сейсмичности. Ориентация коллекторов - южная с отклонением 10° на восток, угол наклона к горизонту 45°. Число и вместимость баков-аккумуляторов приняты с учетом режимов работы гелиоустановки, а также из условий распределения нагрузок на несущий каркас здания. Баки-аккумуляторы вместимостью 8 м3 (2 шт.) и 4 м3 (2 шт.) установлены над лифтовыми шахтами с превышением 500 мм над верхней образующей солнечных коллекторов, что при максимальном уровне солнечной радиации в летнее время обеспечивает термосифонный режим циркуляции. При недостаточном уровне солнечной радиации циркуляция обеспечивается насосами UPS-32-120 (2 шт.) фирмы «GRUNDFOS». Догрев воды в зимнее время и при продолжительной пасмурной погоде производится в двух электрокотлах типа ТАВИА-ЭВК-45 катодного типа мощностью по 45 кВт. Расчётное время работы котлов с 22.00 до 7.00 - (по льготному ночному тарифу).
Схема трубопроводов гелиоустановки (рис. 3.34) предусматривает два режима работы. В дневное время первая группа баков рабочей вместимостью 12 м3 (8+4 м3) ра-
Рис. 3.34. Схема трубопроводов гелиоустановки корпуса санатория им. Фрунзе в г. Сочи: |
1 — солнечные коллекторы; 2 — насосы гелиоконтура; 3 — баки- аккумуляторы; 4 — насосы электрокотлов; 5 — электрокотлы; 6 — рециркуляционные насосы ботает в режиме нагрева с солнечными коллекторами. При этом в зависимости от потребности в горячей воде могут работать все коллекторы или их половина. В ночное время первая группа баков-аккумуляторов автоматически переключается в режим догрева в электрокотлах с водоразбором из них со следующего утра. Вторая группа баков вместимостью 12 м3 утром дополняется водопроводной водой до заданного уровня и переключается в режим работы с солнечными коллекторами. Первая и вторая группы баков работают попеременно, обеспечивая подачу потребителям расчётного количества горячей воды с температурой 55 °С.
В связи с размещением баков-аккумуляторов на кровле здания предусмотрена установка рециркуляционных на
сосов фирмы «GRUNDFOS»
UPS-32-120. На рис. 3.35 приведены графики сопоставления теплопроизводительности данной гелиоустановки при КПД 60 % и расчётного потребления корпусом горячей воды с температурой 55 °С.
Для горячего водоснабжения городского рынка в г. Краснодар разработана гелиоустановка площадью 220 м2, особенностью которой является размещение солнечных коллекторов фирмы «AMCOR» (Израиль) на двух плоскостях
кровли с перепадом отметок в 4 м, а также двойное дублирование (электрокотлами и догревом от централизованного теплоснабжения), солнечных коллекторов (102 шт.) общей площадью 220 м2 устанавливаются на южной стороне кровли здания под углом 45° к горизонту. В данном случае применены коллекторы модели 2133. Предусмотрено два бака-аккумулятора, вместимость каждого 20 м3. Один бак обеспечивает суточную потребность рынка в горячей воде. Циркуляция воды через солнечные коллекторы обеспечивается двумя насосами LP-50-125/142 фирмы «GRUNDFOS». Первый насос включается при разности температур до и после солнечных коллекторов, равной 10 °С, второй — при разности температур в 20 °С. При недостаточном уровне солнечной радиации вода догревается в электрокотлах ЭВК-60 фирмы «ТАВИА» (С.-Пб.) или в пластинчатых теплообменниках, подключенных к системе централизованного теплоснабжения. Режим работы баков-аккумуляторов
Рис. 3.36.
Схема трубопроводов гелиоустановки городского рынка г. Краснодар:
1 — солнечные коллекторы; 2 — насосы гелиоконтура; 3 — баки-аккумуляторы;
4 — насосы тепловых дублёров;
5 — электрокотлы;
6 — пластинчатый подогреватель;
7 — насосы горячего водоснабжения
1 — солнечные коллекторы; 2 — баки-аккумуляторы; 3 — насосы гелиоконтура; 4 — насосы ГВС; 5 — пиковый подогреватель пароводяной
совместно с тепловыми дублёрами аналогичен режиму гелиоустановки спального корпуса санатория им. Фрунзе в Сочи. Схема трубопроводов гелиоустановки приведена на рис. 3.36. Особенность данной установки - применение микропроцессорного блока для автоматизации управления. При этом обеспечиваются заполнение баков холодной водой до заданного уровня, последовательное включение насосов циркуляции воды через солнечные коллекторы, догрев воды в тепловом дублёре, подача горячей воды заданной температуры потребителю.
В 2001 г. разработана, смонтирована и введена в эксплуатацию гелиоустановка горячего водоснабжения ремонтного цеха локомотивного депо в г. Тихорецк площадью 96 м2. Солнечные коллекторы (120 шт.) КМЗ смонтированы на кровле цеха на отметке 12 м. На рис. 3.37 приведена схема трубопроводов гелиоустановки. Циркуляция воды через солнечные коллекторы обеспечивается насосом 3, подача потребителям - насосом 4. Водопроводная холодная вода поступает в бак-аккумулятор № 1 через регулятор уровня в баке № 2, из которого производится водоразбор горячей воды. При этом бак № 1 работает в режиме нагрева с солнечными коллекторами. Горячая вода вследствии температурной стратификации поднимается в верхнюю часть бака № 1, откуда по перемычке перетекает в бак № 2, восполняя поданную потребителям порцию воды. Таким образом, один из баков работает в режиме нагрева с солнечными коллекторами, второй имеет запас горячей воды, готовый для потребления. При недостаточном уровне солнечной радиации предусмотрен догрев воды в пароводяном теплообменнике системы централизованного теплоснабжения.
В табл. 3.25 приведены технические характеристики рассмотренных выше гелиоустановок. При расчётах их дневной производительности принимались во внимание значения интенсивности прямой и рассеянной радиации
Наимено вание гелио установки |
Количество/ площадь СК, шт./м2 |
Изготовитель СК |
Средняя расчётная дневная производительность (максималь - ная/мини - мальная), м3 |
Количество И емкость баков - аккумуляторов, м3 |
Год строи тельства |
Размещение СК |
Краснодар, издатель ство «Советская Кубань* |
432/260 |
«Спецгелио тепло монтаж», Грузия |
12,5/5,2 |
5x4 |
1989 |
Кровля |
Тимашевск, котельная |
340/326 |
«Сибтепло - маш* Братск |
23,0/9,5 |
2x75 |
1989 |
Кровля, навесы |
Сочи, санаторий им. Фрунзе |
92/198,7 |
«AMCOR* Израиль |
17,3/3,0 |
2x8 2x4 |
проект |
Навес над кровей |
Краснодар, городской рынок |
102/220 |
«AMCOR* Израиль |
17,2/7,1 |
2x20 |
проект |
Кровля |
Тихорецк, локомотивное депо |
120/96 |
Ковровский механический завод |
7,5/3,1 |
2x6 |
2001 |
Кровля |
(по результатам обработки данных многолетних измерений); максимальные и минимальные значения производительности на основе заданной продолжительности эксплуатации; температура воды на входе и выходе из гелиоустановки соответственно 15 и 55 °С.
В табл. 3.26 приведены стоимостные показатели гелиоустановок в ценах 2001 г. (при курсе 1 дол. США = 30 руб.). Стоимость гелиоустановок, построенных до 2001 г., пересчитана в сопоставимых ценах. Общая стоимость гелиоустановок распределена на следующие составляющие: солнечных коллекторов, учитывающая как собственно их приобретение, так и затраты на монтаж; баков-аккумуляторов с затратами на монтаж и теплоизо-
Стоимость гелиоустановки, дол. |
Составляющие общей стоимости гелиоустановки, |
Й О и vP 0s- |
||||||
общая |
удельная в расчёте наїм2 |
удельная в расчёте на 1 м3 |
солнечные коллекто ры |
баки- аккумуля торы |
пиковые догреватели с насосами |
металлоконструкции и трубопроводы |
прочие расходы |
|
Краснодар, издательство «Советская Кубань» |
30500 |
117,3 |
2440 |
13300/43,6 |
8000/26,2 |
— |
8200/26,9 |
1000/3,3 |
Тимашевск, котельная |
24800 |
76,1 |
1078 |
15300/61,7 |
Сущ. |
Сущ. |
8500/34,3 |
1000/4,0 |
Сочи, санаторий им. М. В.Фрунзе: — с коллекторами |
77300 |
388,4 |
4468 |
41000/53,0 |
2000/2,6 |
5000/6,4 |
27800/36,0 |
1500/2,0 |
«AMCOR»; — с коллекторами КМЗ |
52900 |
266,0 |
1902 |
16600/31,4 |
2000/3,8 |
5000/9,5 |
27800/52,5 |
1500/2,8 |
Краснодар, городской рынок: — с коллекторами |
66150 |
300,7 |
3846 |
45350/68,6 |
3000/4,5 |
5200/7,8 |
11100/16,8 |
1500/2,3 |
«AMCOR»; — с коллекторами КМЗ |
39150 |
178,0 |
2276 |
18350/46,9 |
3000/7,7 |
5200/13,3 |
11100/28,3 |
1500/3,8 |
Тихорецк, локомотивное депо |
15800 |
164,6 |
2107 |
8000/50,6 |
1000/6,3 |
Сущ. |
5800/36,8 |
1000/6,3 |
ляцию; металлоконструкций и трубопроводов, включая материалы, вспомогательное оборудование, теплоизоляцию, арматуру и затраты на монтаж; пиковых догрева- телей с насосами; прочие расходы (проектирование и наладка). Наименьшие удельные стоимости (76,1 дол./м2 и 1078 дол./м3) имеет гелиоустановка в Тимашевске, что обусловлено применением дешёвых солнечных коллекторов со стальными теплопоглощающими панелями, а также использованием существующего оборудования котельной, в первую очередь баков-аккумуляторов. Гелиоустановка издательства «Советская Кубань» в Краснодаре, оборудованная аналогичными солнечными коллекторами, также имеет низкую удельную стоимость (117,3 дол./м2), однако применение избыточной ёмкости баков-аккумуляторов из нержавеющей стали почти вдвое увеличивает удельную стоимость кубометра емкости (2440 дол./м3). По этому показателю данная гелиоустановка менее выгодна, чем установка в г. Тихорецк с солнечными коллекторами с поглощающей панелью из латунной трубки со стальным оре- брением. Анализ показателей гелиоустановок санатория им. Фрунзе в Сочи и городского рынка в Краснодаре показывает, что варианты с коллекторами Ковровского механического завода (поглощающая панель из латунной трубки со стальным оребрением) примерно в 1,5 раза дешевле варианта с израильскими коллекторами фирмы «AMCOR» (поглощающая панель из медных трубок со стальным оребрением).
В общей стоимости гелиоустановок основные затраты приходятся на приобретение и монтаж солнечных коллекторов, причем при использовании отечественных коллекторов они составляют 43,6-61,7 %. При замене израильских коллекторов фирмы «AMCOR» на отечественные (КМЗ) затраты уменьшаются с 53 % до 31,4 %. Расходы на изготовление и монтаж баков-аккумуляторов из стали СтЗ с лакокрасочным покрытием незначительны, составляют
Наименование гелиоустановки |
Стоимость гелиоустановки, дол. |
Стоимость сооружения замещаемого традиционного источника анергии, дол. |
Расчетное сезонное количество выработанной тепловой энергии, кВт-ч |
Стоимость тепловой энергии выработанной гелиоустановкой, дол. |
Срок экономической окупаемости, лет |
Краснодар, издательство «Советская Кубань» |
30 500 |
6500 |
98 509 |
3251 |
7,4 |
Тимашевск, котельная |
24 800 |
8150 |
180 265 |
5949 |
2,8 |
Сочи, санаторий им. М. В.Фрунзе: — с коллекторами «AMCOR»; — с коллекторами КМЗ |
77 300 52 900 |
5000 5000 |
167160 167160 |
5516 5516 |
13,1 8,7 |
Краснодар, городской рынок: — с коллекторами «AMCOR»; — с коллекторами КМЗ |
66150 39150 |
5200 5200 |
135 168 135 168 |
4461 4461 |
13,7 7,6 |
Тихорецк, локомотивное депо |
15 800 |
3000 |
60 307 |
1990 |
6,4 |
2,6-7,7 % и увеличиваются до 26,2 % при изготовлении баков-аккумуляторов из нержавеющей стали. Применение отечественных электрокотлов с насосами может увеличить стоимость гелиоустановки на 6,4-13,3 %. В расчётах принята стоимость наиболее качественных и дорогих электрокотлов фирмы «ТАВИА» (С.-Петербург).
В табл. 3.27 приведены экономические показатели гелиоустановок. При определении стоимости сооружения традиционного энергоисточника затраты на приобретение и монтаж электрокотлов катодного типа отечественного производства, насосов, трансформаторных подстанций также указаны в ценах декабря 2001 г. Соответственно стоимость замещаемой энергии принята - 1 руб./(кВт-ч) или
0,033 дол./(кВт-ч). В таблице представлены результаты расчётов сроков экономической окупаемости по методике, изложенной автором в работе [101].
Минимальный срок окупаемости имеет гелиоустановка котельной в г. Тимашевск (2,8 года), что объясняется низкой стоимостью солнечных коллекторов со стальной теплопоглощающей панелью (около 40 дол./м2), высоким КПД - 54 %, определяемым оптимальными температурными и гидравлическими параметрами работы, использованием оборудования существующей котельной. Большой срок окупаемости гелиоустановки издательства «Советская Кубань» в Краснодаре (7,38 года), также оборудованной солнечными коллекторами со стальной теплопоглощающей панелью, обусловлен высокой стоимостью баков-аккумуляторов из нержавеющей стали и их избыточной вместимостью. Применение солнечных коллекторов израильской фирмы «AMCOR» в гелиоустановках Сочи и Краснодара (городской рынок) приводит к увеличению срока окупаемости до 13,7 года, что почти вдвое больше чем при использовании коллекторов Ковровского механического завода (7,6-8,68 года).
Сопоставление данных, представленных в табл. 3.27, и аналогичных показателей гелиоустановок площадью 2254 м2, рассмотренных автором в работе [101], показало, что увеличение площади солнечных коллекторов в 2-5 раз не вызывает уменьшения сроков окупаемости.