СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ УСТАНОВОК СОЛНЕЧНОГО ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Натурные исследования экспериментальных объектов с системами солнечного теплоснабжения выполняли многие научно-исследователь­ские организации-разработчики. В 1982 г. КиевЗНИИЭП при участии Института высоких температур АН СССР разработал методику пред­ставления данных натурных исследований, а в 1987 г." ТашЗНИИЭП при Участии КиевЗНИИЭП разработал паспорт на установку солнечного теплоснабжения, в котором находят отражение результаты натурных испытаний. Следует отметить, что методическая часть этой работы продолжает совершенствоваться в первую очередь в части разработки математического обеспечения представительности получаемых резуль­татов.

Применяемые в настоящее время методики близки и предполагают дискретное или непрерывное (с помощью самопишущих приборов) измерение интенсивности солнечной радиации, температуры окружаю­щего воздуха и рабочих сред, участвующих в тепловых процессах, их массовых расходов, потребление электрической и (или) тепловой энергии существующих источников и других необходимых парамет­ров. Результаты измерений обрабатывают по различным периодам времени (час, день, месяц, сезон, год) для на хождения реальных показателей установки: приведенного коэффициента полезного дейст­вия, количества полученной от установки тепловой энергии, коэффи­циента замещения (покрытия) установкой нормативной нагрузки и др. Результаты измерений обрабатывают вручную или автоматически. Так, на системе солнечного тепло - и хладоснабжения базы Минэнерго в Алуште КиевЗНИИЭП и Киевский институт автоматики разработали автоматическую систему управления, включающую сбор, накопление и последующую обработку экспериментальных результатов.

По описанной выше методике впервые проведены долгосрочные натурные испытания установок солнечного горячего водоснабжения, положенных в основу многих применяемых сегодня технических решений. Эти испытания начаты в 1977 г. на солнечно-топливной котельной гостиницы "Спортивная" в Симферополе (участники иссле­дований - ЭНИН, Крымтеплосеть, КиевЗНИИЭП) и 12-квартирном жилом доме в с. Болгарка Одесской обл. (КиевЗНИИЭП). В этих уста­новках использованы солнечные коллекторы с неплакированными алюминиевыми прокатно-сварными панелями в качестве абсорберов, которые вышли из строя, не проработав и 3 лет. Это было вызвано кроме незащищенности металла большими подпитками циркуляцион­ного контура, происходящими вследствие постоянных разрывов соединительных рукавов, которыми коллекторы были связаны с трубопроводами.

На экспериментальной солнечно-топливной установке в Симферопо­ле за 6,5 месяцев 1978 г. (с 1 марта по 10 сентября) было проведено, 128 опытов продолжительностью от 6 до 9 ч в течение всех дней с благоприятными метеоусловиями [1]. Основные результаты испытаний показали, что среднедневная температура воды не превышала в марте - 36 °С, мае - 48,5 °С, июле - 54 °С и сентябре - 46 °С. Исследо­вания также показали, что при площади коллекторов 205 м2 в период с 10 по 30 апреля примерно в 50 % опытов выработка теплоты находилась 254 В пределах 150 ... 300 кВт - ч, тогда как в летний период с 16 июня по 9 сентября наиболее вероятной была выработка 350 ... 450 кВт • ч. Сравнительные результаты испытаний весной и летом выглядят следу­ющим образом:

21 марта 9 августа

На крыше жилого дома в с. Болгарка Одесской обл. были установ­лены солнечные коллекторы, в которых нагревается теплоноситель гелиоконтура - химически очищенная вода (рис. 10.1). Циркуляция в контуре принудительная. Нагретый теплоноситель направляется в установленные в подвале и заполняемые подогреваемой водопровод­ной водой водоподогреватели, выполняющие роль баков-аккумуля­торов. Площадь коллекторов - 60 м2, вместимость бака-аккумуля­тора - 3,5 м3. Разработанная схема экспериментальной установки позволила проводить исследование ее работы в различных режимах.

Монтаж установки и наладочные испытания были проведены в 1977 г., а с апреля 1978 г. начата опытная эксплуатация системы и ее натурные исследования. Исследовались различные режимы работы, отличающиеся вместимостью и последовательностью включения секций бака-аккумулятора, расходами в гелиоконтуре. Для выполне­ния измерений на объекте была смонтирована система автоматической записи параметров воды, теплоносителя и внешних условий. Типичные графики работы гелиосистемы в различных режимах экспериментально подтвердили необходимость создания гелиосистемы со стратифика­цией (разделением) температур по секциям бака-аккумулятора, что позволяет увеличить на 20 % количество полезно используемой радиа­ции. Такие системы должны быть оснащены устройствами автоматичес­кого управления, использующими разные терморегуляторы и задвиж­ки с электроприводом.

В целом, проведенные испытания подтвердили и уточнили техничес­кие и эксплуатационные характеристики системы, полученные в период наладочных испытаний и позволили КиевЗНИИЭП и другим организациям разработать целый ряд экспериментальных проектов

Установок солнечного горячего водоснабжения для зданий массового 1 строительства. 1

КиевЗНИИЭП разработал проект гелиосистемы горячего водоснабже - 1 ния для многоквартирных жилых домов, который был привязан к 1 домам серий 67 и 87, построенным в южных областях Украинской | ССР - 45-квартирному 5-этажному в Измаиле Одесской обл., ' / 50-квартирному 5-этажному в Очакове Николаевской обл., 64-квартир - Ному 9-этажному в Херсоне и 110-квартирному 5-этажному в г. Феодо­сии и детскому саду на 420 мест в Одессе.

Схемное решение в основном повторяло схему установки жилого дома в с. Болгарка, но добавился дополнительный контур циркуляции через скоростной теплообменник для интенсификации теплообмена в период малого разбора воды, развита система автоматики (для дет­сада), организован отбор воды на умывальники с промежуточной температурой. Однако при, привязке и строительстве объектов это рёшение в каждом конкретном случае несколько видоизменялось с учетом местных специфических особенностей. В результате все жилые дома имеют различные технологические схемы, либо схемы управле­ния, что позволило провести проверку более широкого спектра реше­ний и накопить более значительный технический опыт.

В 1981 г. был смонтирован и в 1982 г. испытана установка 9-этажного дома в Херсоне, имеющая на плоской крыше дома коллекторы

Площадью 270 м2, ориентированные на 15° южнее западного направле­Ния. В отдельно стоящем теплопункте установлены 4 водоподогрева - теля типа СТД вместимостью по 4 м3, выполняющие роль тепловых аккумуляторов, и 3-секционный скоростной водоподогреватель с Общей поверхностью нагрева 28,32 м2. Циркуляционные насосы - 1,5 К-8/19; теплоноситель - подготовленная вода из тепловых сетей. На трубопроводе горячего водоснабжения установлены циркуляцион­ные насосы ЦНИПС-20.

В процессе проведения пусконаладочных работ выполнены все мероприятия и работы по ревизии и испытаниям на работоспособность каждого устройства и агрегата (электродвигателей, насосов, запорной и регулирующей аппаратуры, баков, гелиоприемников и т. д.). Одновре­менно были испытаны различные режимы пуска установки в работу из различных исходных состояний. При пусконаладочных работах отла­живали также схемы и порядок подготовки к запуску, заполнение и дренаж теплоносителя.

Предусмотренная проектом система контроля и управления техно­логическим режимом работы гелиосистемы в процессе выполнения работ была существенно переработана. Следует также отметить, что отсутствие исследования по гелиосистемам как объектам авторегули­рования потребовало проводить установку заданий автоматическим регуляторам методом проб и ошибок, а не по разгонным кривым и амплитудно-частотным характеристикам. В результате проведения пусконаладочных работ окончательно определилась исполнительная технологическая схема установки, а также была выработана инструк­ция по ее эксплуатации.

После окончания пусконаладочных работ были начаты натурные исследования работы системы. Их выполняли ежемесячно сериями по 10 дней, применяя различные режимы работы системы и при этом определяя переходные характеристики, максимально достижимые температуры теплоносителя и воды в баке-аккумуляторе, производи­тельность гелиосистемы в зависимости от расхода теплоносителя и воды.

Результаты выполнения пусконаладочных работ и натурных иссле­дований в Херсоне легли в основу корректировки технических реше­ний гелиосистем жилых домов в Очакове, Феодосии, Измаиле и детс­кого сада в Одессе (рис. 10.2).

Последний в этом перечне объект был в 1983 г. налажен и испытан в течение мая - октября. После наладки работы всех элементов исследо­вались возможности установки в режиме разогрева. При отсутствии водоразбора циркуляционный контур передает тепло воде в баках - аккумуляторах только через трубчатые змеевики в них. Результаты испытаний показали, что при солнечной радиации обычного июльского

622 — 17

Рис. 10.2. Принципиальная схема УСГВ детского сада в г. Одессе

Дня (700 ... 800 Вт/м2) средняя температура воды в аккумуляторах повысилась с 26 до 38,5 °С; на следующий день - с 36 до 46 °С; на третий день догрев с расходом 2400 кг/ч по циркуляционному контуру позволил достичь температуры в верхнем и нижнем баке соответственно 58,1 °С и 47,2 °С. Учитывая сравнительно медленный нагрев воды в баках-аккумуляторах, в дальнейшем обычно проводили наполнение баков с одновременным нагревом воды, что позволяло нагреть воду в баках до необходимой температуры за один день.

Для исследования влияния соотношения расходов на эффектив­ность работы промежуточных теплообменников был искусственно создан режим равномерного водоразбора около 3000 кг/ч (рис. 10.3, а). Как следует из графика, при начальной температуре воды в верхнем баке-аккумуляторе 39 °С к концу дня она достигала 45,8°С. Показано, что при равномерном водоразборе с постоянным соотношением расхо­дов теплоносителей в циркуляционном и водоподогревательном контурах можно достичь наиболее эффективной работы промежуточ­ного скоростного теплообменника.

Результаты исследования работы гелиосистемы в режиме реального водоразбора с одновременным нагревом воды представлены на Рис. 10.3, б. Из графика следует, что температурный перепад по гелио - контуру с расходом 2640 кг/ч за весь период с 11 до 18 ч не имел стабильного значения ввиду неравномерности водопотребления и поступления солнечной радиации. Максимальная температура тепло­носителя по гелиоконтуру достигала более 58 °С. Несовпадение режи­ма разбора горячей воды во времени с поступлением теплоты от солнечной радиации отрицательно отражается на эффективности работы промежуточного теплообменника и приводит к сравнительно низкому коэффициенту полезного использования теплоты.

В целом строительство и опытная эксплуатация гелиосистем горя­чего водоснабжения в Херсоне и Одессе позволили сделать следующие выводы, учтенные при разработке типовых проектов УСГВ:

При разработке технических решений гелиосистем заложены принци­пиально правильные положения, базирующиеся на данных отечествен­ного и зарубежного опыта. Совпадение натурных и расчетных парамет­ров систем свидетельствует о правильности расчетных методов, лежа­щих в основе проектирования;

Исследования работы установок в режиме разогрева и аккумуляции тепла показали, что при обычных условиях в течение двух-трех дней работы УСГВ может войти в рабочее состояние. Ускорить этот процесс можно при постепенном заполнении контура горячего водоснабжения с одновременным нагревом воды в нем. Исследования позволили

Наметить возможные варианта совершенствования схемы с целью более продолжительного времени ее работы в течение солнечного дня;

Исследование характеристик установок солнечного горячего водо - , снабжения в режиме раздачи воды с одновременным нагревом позво­лили определить параметры системы в рабочем режиме, выявить ее отдельные недостатки в части баков-аккумуляторов, теплообменных поверхностей и наметить пути совершенствования схем горячего водоснабжения аналогичных зданий (дифференциальное изменение Расходов, изменение схемы управления, дополнение технологической схемы).

УСГВ 5-этажного 50-квартирного жилого дома в Очакове была пущена в эксплуатацию в 1984 г. в ручном режиме, а в 1986 г. отлажена система автоматического управления. В период эксплуатации в апреле-мае 1986 г. было обнаружено нестабльное отключение насо­сов гелиоконтура в автоматическом режиме. Анализ выявил необхо­димость выполнения перекоммутации экранирующих и информацион­ных кабелей датчиков температуры регулятора температуры ТЭ6ПЗ для увеличения стабильности работы установки в автоматическом режиме.

В июле 1986 г. из 528 солнечных водонагревателей, установленных на гелиосистеме в Очакове, 28 имели протечки вследствие коррозии канала. Коррозия носила питинговый характер и поражала второй снизу канал десятиканальных стальных радиаторов чаще всего с тыльной стороны. Это может быть объяснено тем, что этот канал является самым нижним среди параллельных каналов с малой скоро­стью течения, а негерметичность и конструктивные недостатки коллек­торов приводят к тому, что попадающая под днище вода застаивается и способствует поверхностной коррозии с наружной стороны всей ниж­ней части радиаторов, в первую очередь выступающих стенок каналов.

Таким образом, эти два процесса "идут навстречу" друг другу, ускоряя выход коллектора из строя. Подтверждением тому является факт, что качественно изготовленные коллекторы, в которых практи­чески отсутствует затекание, не выходят из строя, а коррозии подвер­гаются в первую очередь плохо собранные.

На экспериментальной гелиосистеме в Очакове была отработана и опробована методика ремонта коллекторов с помощью клея, выпуска­емого опытным производством Института химии высокомолекулярных соединений АН УССР по ТУ 88 УССР 193040- 82.

Клей - конструкционный водостойкий холодного отверждения "Спрут-4У" трехкомпонентный (основа, модифицирующая добавка и инициатор). Жизнеспособность - 60 мин, время отверждения 60 ... 120 мин, разрушающее напряжение при обрыве через сутки 140 кг/см.

Были опробованы варианты с установкой металлической накладки на свищ и без накладок, с опорожнением и без опорожнения коллекто­ра. Выполненные работы показали, что точечные свищи (диаметром до 0,5 мм) можно на опорожненном коллекторе покрывать клеем без накладки и через сутки заполнять систему водой. Свищи большого диаметра необходимо закрывать накладкой, но при этом ремонт можно выполнять на "мокром" коллекторе, не опорожняя его и не выключая систему. При этом необходима только зачистка от ржавчины и краски в месте накладки (необходимости в обезжиривании нет). При ремонте под давлением особо больших свищей (более 3 ... 5 мм) были случаи, когда через сутки вода "прокапывала" через накладку. Эти накладки еще раз обмазывали клеем, что позволяло полностью устранить протечки.

До конца октября 1986 г., когда была выключена система, ни один из отремонтированных коллекторов не вышел из строя. Для предотвра­щения дальнейших возможных отказов в октябре 1986 г. были прове­дены работы по ремонту и восстановлению коллекторов - заменены покоробившиеся днища из древесно-волокнистых плит на алюминие­вые листы, восстановлено, где необходимо, остекление и теплоизоля­ция, укреплены стягивающие полосой днища. Выполненный комплекс мероприятий позволил улучшить технические и эстетические качества системы. Дальнейшие наблюдения позволят связать эти работы с коррозионной стойкостью коллекторов.

Следует отметить, что по наблюдениям КиевЗНИИЭПа срок службы стальных коллекторов в качестве поглотителей солнечных коллекто­ров варьируется в чрезвычайно широких пределах и зависит от боль­шого числа факторов. Так, первая из пущенных в эксплуатацию УСГВ со стальными коллекторами пансионата "Горный" (1978 г., п. Рыбачье, Крымская обл.) эксплуатировалась 6 лет ( с ежегодным опорожнением) до выхода из строя одного коллектора; затем этот процесс принял лавинообразный характер и к 1988 г. - более 50 % коллекторов вышли из строя.

Коллекторы на солнечно-топливной котельной птицефабрике "Южная" не отработали и двух сезонов до выхода из строя первых 10 шт. В связи с этим следует отметить, что, несмотря на принятый еще более 10 лет назад в стране курс на использование стальных коллекто­ров, работы по их коррозионной защите, а тем более по созданию специальных антифризов с ингибиторными свойствами развернуты не были. Отсутствие серийного выпуска нетоксичных антифризов снижает в среднем на 25 ... 30 % годовую выработку теплоты УСГВ и принуждает опорожнять коллекторы. Это способствует ускорению процессов коррозии, особенно в переходные месяцы, когда заполнений и опорож­нений может быть несколько из-за краткосрочных заморозков. Здесь нельзя не отметить, что УСГВ представляет собой "идеальный" объект Для развития процесса коррозии. До настоящего времени такие уста­новки чаще всего устраиваются при отсутствии других источников тепла, а следовательно, почти всегда лишены установок водоподго - товки. Уровень рабочих температур в установках соответствует или близко к 60 ... 70 °С, при котором скорость коррозии, вызываемой кислородной деполяризацией в открытых системах, максимальна, а скорость коррозии в зависимости от рН резко растет с ростом темпера - ТУР [2], а также сильно зависит и от самого значения рН. На скорость Коррозии влияет также и скорость движения воды, причем в диапазоне используемых скоростей (v < 1,5 м/с) усиление коррозии происходит с ростом скорости движения воды. Есть еще целый ряд влияющих факторов.

Перечисленные проблемы, подтвержденные низкой долговечностью выпускаемых ныне серийно солнечных коллекторов Братского завода отопительного оборудования, свидетельствуют о нецелесообразности дальнейшего использования стальных штампосварных панелей в качестве абсорберов без проведения дополнительных мероприятий по их защите.

Еще одним фактором, четко определенным в результате опытной эксплуатации, является непригодность существующего теплообмен - ного оборудования для использования УСГВ. Применяемые в системах солнечного теплоснабжения (ССТ) пароводяные и водоводяные подо­греватели-теплообменники не оптимальны, так как они рассчитаны на температурные напоры и соотношения расходов греющей и нагревае­мой сред, существенна отличающиеся от имеющих место в ССТ. По оценкам КиевЗНИИЭП это снижает на 10 ... 15 % эффективность установок. Институтом разработана документация для выпуска специ­альных скоростных и емкостных водонагревателей и баков-аккуму­ляторов, однако они до настоящего времени не поставлены на производство..

Опыт показал существенную зависимость эффективности и работоспособности установок от уровня и качества их эксплуатации. Эти: факторы способствуют переходу от пообъектных УСГВ к центра­лизованным, сблокированным с теплоэнергетическими установками и системами, который должен сопровождаться организацией сервис­ного обслуживания, аналогично организуемому на своих строящихся

Объектах ППО "Грузспецгелиотепломонтаж" (см. гл. 8).

Важнейшим моментом в эксплуатации УСГВ является определение необходимой численности обслуживающего персонала. Ее, как правило, определяют по числу единиц ремонтной сложности [3]. КиевЗНИИЭПом разработаны и утверждены в Минжилкомхозе УССР необходимые показатели, позволяющие определять численность обслуживающего персонала на экспериментальных объектах:

Категория ремонтной сложности (число единиц)

Солнечные водонагреватели на базе стальных

Штампованных радиаторов одностекольные................ 0,1

Теплообменники пароводяные поверхностью нагрева:

TOC o "1-3" h z 5 м2................................................................................................................ 0,5

15 м2.............................. ............................................ 1

Подогреватели пароводяные поверхностью

Нагрева 5 м2..................................................................... 1

Насосы центробежные с подачей до 10 м^/ч........................ 1

Электродвигатели до 500 В асинхронные с.

Короткозамкнутым ротором мощностью: ~

До 0,6 кВт................................................................. 1

0,6 ... 3 кВт............................................................... 1,3

Обобщая приведенные результаты, а также основываясь на опыте, не нашедшем отражения в данной книге, можно сделать следующие выводы.

Результаты испытаний и эксплуатации дали определенные значения параметров: средний КПД гелиосистем в период эксплуатации нахо­дится в пределах 30 ... 45 %; удельная дневная производительность (средняя и максимальная) - 26,8 ... 31,4 МДж/м2; суммарная средняя удельная производительность за сезон - 1,9 ГДж/м2; удельная эконо­мия топлива при использовании гелиосистем - 0,08 ... 0,15 т усл. топл /год.

Все принятые технические решения подтвердили работоспособность систем и после некоторой доработки включены в типовые проекты.

За время проведения работ и в связи с организацией серийного выпуска' коллекторов удельная стоимость их сократилась с 180 ... 200 руб/м2 до 80 ... 100 руб/м2, а в солнечных установках с котельными доведена до 55 ... 75 руб/м2.

Основным резервом улучшения токазателей эффективности систем солнечного горячего водоснабжения является совершенствование оборудования и режимов работы этих систем с помощью автоматизи­рованных систем управления.

При эксплуатации систем, находящихся в ведении местных советов, возникают организационные трудности; вместе с тем подобные систе­мы, находящиеся в ведении предприятий и организаций, эксплуатиру­ются удовлетворительно.

В связи с изложенным следует:

Устраивать локальные системы солнечного горячего водоснабже­ния только на объектах, имеющих собственную службу эксплуатации и не имеющих централизованных источников теплоснабжения;

Развивать использование солнечной энергии для горячего водоснаб­жения объектов массовой застройки и технологических процессов, в Первую очередь в сельскохозяйственном производстве, в сочетании с топливными и электроаккумуляционными котельными.