Основные публикации по солнечной энергии

Экономика солнечного отопления

В предыдущих разделах были рассмотрены характеристики теп­ловых нагрузок систем солнечного отопления без учета стоимости.

' Однако при разработке подобных систем необходимо учитывать сто - Г имость. Поэтому в качестве введения к следующим разделам, посвя - i щенным проектированию систем, рассмотрим некоторые общие воп­росы экономики систем солнечного отопления. Очевидно, что оценки тепловой эффективности системы необходимы для любого анализа стоимости. В общем случае экономический анализ может проводить - ся с помощью критериев, отличных от используемых в этом разделе.

Основные годовые затраты на систему солнечного отопления (без учета дополнительного источника энергии) составляют годовые | затраты, связанные с приобретением элементов системы, аключая коллектор, аккумулятор, регуляторы, насосы, трубопроводы и пр.; годовые издержки на эксплуатацию системы; стоимость энергии для приводов насосов, вентиляторов и т. д.; годовые затраты на техниче­ское обслуживание системы.

Годовые затраты, связанные с приобретением, определяются на­чальными вложениями и составляют процент на вложенный капитал и погашение за несколько лет, определяемое сроком службы систе­мы. Сумма таких ежегодных затрат обычно исчисляется в виде опре­деленного процента от общей суммы вложений и составляет, напри­мер, для срока амортизации 20 лет и годовой норме процента, равной Я°{, величину 0,10185 от начальных вложений.

В издержки на эксплуатацию входят главным образом затраты на энергию, необходимую для прокачки воды и воздуха в системе в течение годового отопительного сезона. Расходы на техническое обслуживание системы складываются из расходов на текущий ремонт, замену стекол коллекторов и другие работы, необходимые для под­держания системы в рабочем состоянии. Рассмотрение этих статей расхода показывает, что затраты на техническое обслуживание долж­ны быть минимальными, для того чтобы система солнечного отопле­ния была экономически выгодной, поскольку в издержки на обслужи­вание входит, в частности, стоимость рабочей силы.

Годовые затраты на солнечное отопление, слагающиеся из за­трат, связанных с приобретением, эксплуатацией и техническим об­служиванием системы солнечного отопления, могут быть записаны следующим образом:

CS,„ = <СсАс + CST+ СЕ>1 + РСР + Смм “ CML - где

С§ а — годовые затраты на систему солнечного отопления; г *

с — капитальные затраты на единицу площади поверхности кол­лектора (в зависимости от конструкции, числа стеклянных покрытий, монтажной схемы и т. д*);

Ас — площадь коллектора;

CST — капитальные затраты на аккумулятор (теплоноситель, резер­вуар, изоляция);

СЕ — капитальные затраты на оборудование, насосыi трубопроводы, регуляторы и т. д.;

I — доля первоначальных капиталовложений, которая отчисляет­ся ежегодно (процент на капитал и амортизационные отчис­ления);

Р — годовая потребность в энергии на прокачку теплоносителя для системы солнечного отопления;

Ср — стоимость единицы энергии;

Смм - годовые затраты на материалы для технического обслужива­ния;

CML — годовые затраты на оплату рабочей силы для технического об­служивания.

Первый член, представляющий собой издержки, связанные с при­обретением оборудования, обычно вносит наибольший вклад в уравне­ние. Второй член, характеризующий затраты на обеспечение энергией и другие подобные затраты, как пранило, невелик для хорошо сконструи рованной системы, особенно для системы водяного отопления, хотя И не может без соответствующих оценок быть принят пренебрежимо ма­лым. Члены, характеризующие затраты на техническое обслуживание, в правильно сконструированных системах также невелики, однако они могут оказаться определяющими в тех случаях, когда требуются по­вышенные расходы на обслуживание системы в течение всего срока эксплуатации.

Возможны и другие виды затрат на содержание системы солнеч­ного отопления. Например, значительное увеличение годовых издер­жек может вызвать выплата сумм за страхование оборудования, а также налоги на недвижимое имущество (если оборудование системы солнечного отопления обложено налогом). С другой стороны, в не­скольких штатах рассматриваются проекты законодательства относи­тельно снижения налогов на таков оборудование или введения налого­обложений, стимулирующих аложение средств с целью расширения практического использования систем солнечного отопления.

Стоимость единицы энергии, полученной с помощью системы сол­нечного отопления, может быть получена делением годовых затрат на систему Cs [из уравнения (12.5.1)] на полное количество сол­нечной энергии, используемой для обеспечения тепловой энергией здания в течение года. Эта величина, вытекающая из анализа харак­теристик тепловых нагрузок системы, зависит от ряда факторов, из которых определяющим является баланс между энергией, необходи­мой для теплоснабжения здания, и производительностью коллектора. Вследствие вероятностной природы распределения тепловой нагрузки во времени коллектор большого размера для данного здания будет недогружен в течение более продолжительного периода времени по сравнению с меньшим коллектором, а стоимость единицы полезной энергии возрастает с увеличением размера коллектора. С другой сто­роны, при малых размерах коллектора затраты (СЕ), которые не за-

висят от площади коллектора, становятся преобладающими. Таким образом, система солнечного отопления будет иметь наименьшую сто­имость, если достигнуто оптимальное соотношение между производи­тельностью коллектора и тепловой нагрузкой здания.

Следующий этап анализа стоимости состоит в учете издержек на дополнительную (т. е. производимую обычным способом) энергию. Уравнение затрат на дополнительную энергию может быть составле­но аналогично уравнению (12.5.1), но в данном случае основными за­тратами будут затраты на топливо

СЛ. а - с*7’ + ЧЛ + Р’Ср + С’мм + cML. (12.5.2)

где

СА а - годовые затраты на обеспечение здания дополнительной энергией;

св — стоимость подогревателя и соответствующего оборудования;

/' — доля первоначальных вложений в это оборудование, которая

отчисляется ежегодно (может отличаться от /);

Qa — годовая потребность в энергии от дополнительного (топливно - ного) источника;

CF — стоимость топлива (или электроэнергии) на единицу получае­мой энергии (может зависеть от 0.А)

Рш — годовая потребность в энергии на прокачку теплоносителя для системы дополнительного источника;

Ср — стоимость единицы энергии [как и в уравнении (12.5.1)1;

С*

мм — годовые затраты на материалы для технического обслужи­вания дополнительного источника энергии;

C'ML — годовые затраты на оплату рабочей силы для технического обслуживания системы дополнительного источника энергии. Полные годовые затраты на систему солнечного отопления с допол­нительным источником энергии представляют собой сумму затрат на систему солнечного отопления и систему дополнительного источни­ка энергии:

СТ, а-С*.а*СА, а - (12.5.3)

Анализ годовых тепловых нагрузок системы дает возможность определить, какое количество тепловой энергии она может обеспе­чить за счет солнечной радиации и какое количество за счет допол­нительного источника энергии. При наличии такой информации о сис­теме и предполагаемом ее местонахождении можно подсчитать пол­ные годовые затраты и оценить влияние на эти затраты площади кол­лектора (или других расчетных переменных).

Теперь сравним системы, работающие на солнечной энергии, включая дополнительные источники энергии, с обычными системами. По уравнениям (12.5.2) и (12.5.3) определяются затраты соответствен­но для обычной системы и для системы, работающей за счет солнеч­ной энергии. Это сравнение включает рассмотрение затрат, связан­ных с приобретением оборудования системы солнечного отопления и некоторого количества топлива, с одной стороны, и затрат на при­обретение большего количества топлива — с другой. Если годовые затраты на систему солнечного отопления с учетом дополнительного источника энергии меньше затрат на обычную систему, то очевидна прямая экономическая выгода применения системы, работающей за счет солнечной энергии.

Следующий вопрос касается оптимального соотношения (с точ­ки зрения достижения наименьших годовых затрат) мощностей сис­темы солнечного отопления и системы дополнительного источника энергии. Каждый из факторов, который оказывает влияние на тепло­вую эффективность системы солнечного отопления, будет а свою очередь влиять и на оптимум соотношения между основной и допол­нительной системами. Для наглядаости рассмотрим в качестве опре­деляющего параметра площадь коллектора. Чем больше поверхность коллектора, тем большая доля полной годовой потребности в тепле будет удовлетворяться за счет солнечной энергии и тем меньше по­требуется топлива. Приняв, что затраты, связанные с приобретени­ем оборудования и техническим обслуживанием обычных источников энергии, не зависят от размера коллектора и, таким образом, не влияют на оптимальное соотношение мощностей источников энергии и что затраты на обслуживание правильно сконструированной систе­мы солнечного отопления незначительны, для определения этого оп­тимального соотношения можно воспользоваться уравнением (12.5.3):

СТ, а = <СсАс + CST + СЕ>1 + РСР + <*ACF + Р'СГ <*2‘5*4>

Затраты на энергию для прокачки теплоносителя обычно невели­ки, хотя в некоторых случаях они могут быть существенными, осо­бенно для систем, где теплоносителем является воздух. Поэтому доминирующими являются два члена уравнения: первый, возрастаю­щий с увеличением поверхности коллектора, и третий (затраты на дополнительную энергию), который уменьшается с увеличением по­верхности коллектора. Вполне возможно, что приведенную схему ана­лиза потребуется несколько модифицировать, например, для случая, когда способ обеспечения дополнительной энергией, которую предпо­лагается использовать в системе, в какой-то мере зависит от общего количества требуемой дополнительной энергии. Вероятнее всего, до­полнительная энергия будет подаваться от источника, ранее установ­ленного в здании, поскольку большое число систем солнечного отоп­ления, в которых используётся и энергия от дополнительного источни­ка, будет обеспечивать нагрузку весьма ограниченное время. Таким образом, мощность дополнительного источника энергии в здании долж­на быть достаточной для удовлетворения потребностей в тепловой энергии даже при самых неблагоприятных внешних условиях.

Подробные экономические исследования солнечного отопления зданий на основе изложенных выше соображений были проведены Ти­бетом и Лёфом в работах [13, 18]. Ими разработана тепловая модель системы солнечного отопления, позволяющая рассчитать годовую теп­ловую эффективность таких систем (на основе метеорологических данных за год), а также ряд стоимостных условий для расчета затрат при использовании солнечной энергии для зданий даух размеров, рас­положенных в восьми районах США с различными климатическими ус­ловиями (Майами, Альбукерке, Феникс, Санта-Мария, Чарлстон, Сиэтл, Омаха и Бостон). В этих работах для выявления интервала оптимальных зна­чений в дополнение к площади коллектора были рассмотрены также другие конструктивные параметры системы, в том числе угол накло­на коллектора в направлении к экватору, число прозрачных покрытий и емкость аккумулятора на единицу площади коллектора. Результаты этих работ (которые в основном согласуются с выводами других ав­торов) могут быть кратко изложены следующим образом.

1. Оптимальный угол наклона заключен в интервале по широте от +10 до +20? и изменение этого угла на 10° за пределы этого ин­тервала не оказывает существенного влияния на стоимость энергии, необходимой для отопления.

2. Для всех районов наиболее оптимальным является двухслой­ное застекление коллектора, за исключением районов Майами и Фе­никса, расположенных в наиболее теплых и благоприятных климати­ческих зонах, где однослойное остекление позволяет снизить стоимость энергии, получаемой с помощью системы солнечного отопления.

3. Оптимальная энергоемкость аккумулятора на единицу площа­ди коллектора заключена в пределах 200-300 кДж/м2, что соответ-

ствуєт 50 — 75 кг/м2 для рассмотренных выше водяных аккумулирую - щих систем. Увеличение размеров аккумулятора при неизменной гео - f метрии коллектора оказывает относительно небольшое влияние на стоимость тепловой энергии, получаемой за счет солнечной радиации, v а также на долю полной тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии.

Используя оптимальные интервалы указанных расчетных пара - метров системы, Тибот и Лёф затем рассмотрели роль основного кон­структивного параметра, размера коллектора, или долю полной годо­вой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, для конкрет­ных зданий в конкретных районах. Обработанные результаты прове­денных ими многочисленных расчетов представлены на фиг. 12.5.1 и

12.5.2, где на основе принятых авторами стоимостных условий пока­заны изменения стоимости тепловой энергии, обеспечиваемой за счет солнечной радиации, в зависимости от доли полной тепловой

нагрузки, удовлетворяемой за счет солнечной энергии. При малых значениях этих долей (для коллекторов небольших размеров) сто­имость оборудования, которая остается неизменной для коллекторов любых размеров, становится преобладающей. В случае очень боль­ших коллекторов энергия, которая может быть получена и полезно использована за счет увеличения поверхности коллектора, уменьша­ется. При. этом средний выход энергии с единицы площади коллекто­ра падает, а ее стоимость возрастает.

Тибот и Лёф принимали в расчетах следующие данные: стоимость коллектора от 22 до 45 доллєм2; стоимость оборудования 375 долл., годовая норма процента 6%, срок амортизации 20 лет. При иных сто­имостях оборудования, других конструкциях зданий и других клима­тических условиях оптимальные доли тепловой нагрузки, обеспечи­ваемые за счет солнечной энергии, могут меняться. Минимумы сто­имости также могут быть выше или ниже. Однако во всех случаях результаты по стоимости могут быть представлены в виде кривых, аналогичных кривым Тибота и Лёфа.