СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

СОЛНЕЧНО-ТОПЛИВНЫЕ И СОЛНЕЧНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОТЕЛЬНЫЕ

К числу устройств, где использование энергии солнца может быть наиболее эффективным, относятся установки, создаваемые на базе отопительных котельных. Как показал опыт эксплуатации солнечных установок, в таких системах достигается наибольший КПД солнечных коллекторов, большая продолжительность сезона работы и эксплуата­ционная надежность. Существенным достоинством этих установок является частичное использование технологического оборудования котельной, возможность обслуживания их прежним персоналом котельной, что позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты на систему. При этом квалифицированный персонал котельной может проводить как текущие ремонтно-восстановительные работы, так и осуществлять постоянный контроль за состоянием солнечной установки.

Строительство солнечно-топливных котельных целесообразно в HI и 1У климатических зонах с высокими значениями среднегодового уровня солнечной радиации, районах, куда затруднена доставка топлива, санаторно-курортных зонах, где можно создавать экологи­чески чистую срёду проживания.

Как правило, в таких установках солнечная энергия используется для частичного покрытия потребностей горячего водоснабжения в межотопительный период. Процент замещения нагрузки горячего водоснабжения солнечной энергией определяется технико-экономи­ческой оценкой принятых технических решений. Поэтому основными задачами при проектировании солнечно-топливных котельных явля­ются ^определение региона строительства, тепловой нагрузки, условий застройки, возможной доли замещения солнечной энергией тепловой нагрузки котельной (при определенном соотношении нагрузки горя­чего водоснабжения и отопления) и выбор схемного решения.

Анализ типовых проектов показал, что в большинстве отопительных котельных мощностью до 6 МВт, нагрузка на горячее водоснабжение составляет 10 ... 30 % общей тепловой мощности котельной. Исследова­ния по замещению нагрузки горячего водоснабжения солнечной энергией проводились с учетом летних нагрузок на грячее водоснабже-

Ние, принятых в типовых проектах котельных (рис. 4.4). При этом стоимость 1 м2 системы солнечного теплоснабжения принята для всех вариантов равной 110 руб/м2.

Рассматривая ряд отопительных котельных мощностью до 6 МВт, где нагрузка на горячее водоснабжение не превышает 1,5 МВт, видно, что оптимальная доля замещения нагрузки солнечной энергии находится в пределах 10 ... 50 %. Для котельных, имеющих большую нагрузку на горячее водоснабжение, замещение ее солнечной энергией будет составлять меньший процент. Однако нижний предел по технико- экономическим соображениям должен быть не менее 10 %.

Известно, что на солнечные коллекторы приходится основная часть капитальных затрат при сооружении солнечной установки. Увеличение площади коллекторов обеспечивает большую долю замещения тепло­вой нагрузки, но одновременно ведет к удорожанию солнечной уста­новки. При разработке технических решений перед проектировщиком * стоит задача выбора из множества вариантов оптимальной площади коллекторов, обеспечивающей выработку максимального количества тепла при возможных минимальных затратах и с учетом располагаемой свободной территории для размещения гелиополя. Следует отметить, что, как правило, площадь коллекторов по условиям застройки объекта теплоснабжения, бывает меньше, чем требуется для получе­ния оптимального коэффициента замещения /Эф. Площадь определяют по /-методу, который используют для определения долгосрочных тепловых характеристик систем солнечного теплоснабжения в зависи­мости от конструктивных параметров этой системы и метеорологичес­ких среднемесячных параметров для конкретной местности.

За счет увеличения эффективности работы коллекторов можно соответственно уменьшить площадь солнечной установки, снижая этим капитальные затраты. Эффективность солнечного коллектора в значи­тельной степени зависит от коэффициента теплопередачи внутренней поверхности каналов теплоприемника кк, а он в свою очередь прямо пропорционален расходу теплоносителя (рис. 4.5). Из рис. 4.5 видно, что оптимальным расходом теплоносителя через одну группу последо­вательно соединенных солнечных коллекторов могут считаться значе­ния 0,03 ... 0,07 м3/ч. Удельный расход теплоносителя на 1 м2 поверх­ности солнечного коллектора принимают в пределах q = 10... 40 кг/(м2ч). Низкий расход жидкости через коллектор может существенно уменьшить выработку тепла вследствие уменьшения коэффициента теплоотдачи. Кроме того, при уменьшении расхода повышается темпе­ратура теплоносителя, что приводит к росту потерь энергии в окружаю­щую среду (р'ис. 4.6).

Принятые значения необходимо учитывать для оптимизации схемы взаимного соединения (параллельного или последовательного) отдель­ных солнечных коллекторов в блоки.

Как показали экспериментальные исследовния работы солнечно - топливной котельной, проведенные в г. Ашхабаде, при удельных расходах теплоносителя 10 ... 15 кг/м2- ч для получения расчетной выходной температуры теплоносителя число последовательно соеди­ненных коллекторов в ряду должно быть уменьшено до 3 ... 5. Принятое в проекте решение о семи последовательно соединенных коллекторов в ряду обусловливает некоторое превышение выходной; температуры теплоносителя над расчетной, что, в свою очередь, сни-. жает эффективность солнечной установки. Кроме того, это ведет к увеличенному расходу теплоносителя через один ряд последовательно соединенных солнечных коллекторов.

В СССР первая солнечно-топливная котельная, разработанная ЭНИН им. Кржижановского, была построена в Крыму для горячего водоснаб­жения гостиницы "Спортивная" без возможности сезонного аккумули­рования тепла (рис. 4.7). Котельная работает следующим образом. Из теплообменника нагретая вода поступает в промежуточный бак - аккумулятор. Если вода имеет температуру ниже заданной (42 ... 44°С), то она возвращается снова в теплообменник. По достижении заданной температуры вода из промежуточного бака-аккумулятора сливается в основной бак-аккумулятор, оттуда подается потребителю. При необхо­димости вода догревается в теплообменнике котельной котловой водой.

Гелиосистема, выполненная в виде солнечной приставки к сущест­вующей котельной, проста в эксплуатации.

Солнечные коллекторы общей площадью 204 м2 расположены на опорной конструкции рядом с гостиницей и ориентированы на юг. Коллекторы объединены в 8 секций (по 40 единиц в каждой), а секции, в свою очередь, - в два блока. Соединение коллекторов в секции - параллельно-последовательное, секций в блоки - параллельное.

1985 г. в Грузии сооружена комплексная промышленная установка тепло - и хладоснабжения дома отдыха "Гумиста", включающая в себя две независимо работающие гелиосистемы, тепловой насос и котель­ную на органическом топливе (рис. 4.8). Предусмотрена возможность подачи теплоносителя из второго контура как непосредственно в линию горячего водоснабжения, так и в аккумуляторные емкости вместимостью 42 и 24 м2 соответственно в первой и второй гелиосисте­мах. Гелиосистемы выполнены в виде приставки.

Если интенсивность солнечной радиации недостаточна, чтобы нагреть воду за один проход теплоносителя через теплообменники, то осуществляется циркуляция воды между баками-аккумуляторами и теплообменниками. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор котельной, причем в случае необходимости вода догревается до требуемой температуры в пароводяном теплообменнике.

Площадь солнечных коллекторов первой гелиосистемы составляет 720 м2. Они расположены на крыше столовой и состоят из двух парал­лельно соединенных блоков, состоящих соответственно из 7 и 22 секций. Число рядов в секциях колеблется от 8 до 24, а каждый ряд включает два последовательно соединенных коллектора.

Площадь солнечных коллекторов второй гелиосистемы составляет 260 м2. Они расположены в виде эстакады на хозяйственном дворе дома отдыха и состоят из 4 секций, содержащих по 16 рядов, и одной секции с 19 рядами двух последовательно соединенных коллекторов.

С апреля 1987 г. в с. Крапивна Золотоношского района Черкасской области эксплуатируется солнечно-электрическая котельная, предназ­наченная для горячего водоснабжения откормочного комплекса. Она состоит из существующей электрокотельной и вновь сооруженной солнечной приставки, которая служит для предварительного нагрева воды (рис. 4.9). В дневное время теплоноситель циркулирует по кон - туру: солнечные коллекторы - теплообменник - насос. Одновременно в контуре потребления происходит наполнение бака водопроводной водой, нагретой в теплообменнике. В ночное время теплоноситель нагревается в контуре дублера: электрокотел, использующий ночную внепиковую электроэнергию, - баки контура накопления - насос. В период разбора воды теплоноситель циркулирует по контуру: бак-

Рис. 4.9. Солнечно-электрическая котельная (с. Крапивна Золотоношского района Черкас­ской обл.)

J — солнечный коллектор; 2 — теплообменник; 3 - бак-аккумулятор контура потребления; 4 - Баки-аккумуляторы контура накопления; 5, 6 — Насосы; 7 - электрокотел

Аккумулятор контура накопления - теплообменник - насос. Горячая вода из бака-контура потребления насосом подается через теплообмен­ник, где нагревается до требуемых потребителю параметров. Защита от замерзания - опорожнение. КПД гелиосистемы - 0,45. Солнечные коллекторы общей площадью 225 м2 установлены на уровне земли под углом 40° к горизонту и ориентированы на юг.

Солнечно-электрическая котельная обеспечивает высокую эффек­тивность и эксплуатационную надежность горячего водоснабжения потребителей. При эксплуатации выявлено соответствие расчетных показателей натурным данным. Рекомендуется для применения в сельской местности. Комплексное использование внепиковой ночной электроэнергии и солнечной энергии - является одним из* наиболее перспективных направлений.

Экспериментальная солнечно-топливная котельная в Алма-Атин­ской области, предназначенная для горячего водоснабжения жилых домов и лабораторий, разработана ГПИ Казсантехпроект {рис. 4.10).

Теплоноситель (антифриз, циркулирующий в гелиоконтуре) нагре­вается в солнечных коллекторах и передает тепло воде для системы горячего водоснабжения через теплообменник. Нагретая вода накап­ливается в баках-аккумуляторах. В том случае, когда температура недостаточна, вода может догреваться до необходимого уровня дублером теплообменником за счет тепла от топливной котельной: Солнечные коллекторы общей площадью 902,4 м2 установлены на уровне земли под углом 45° к горизонту и ориентированы на юг.

С апреля 1986 г. в пос. Водник (г. Нариманов Узбекской ССР) эксплу­атируется солнечно-топливная котельная, разработанная ТашЗНИИЭП. Эта установка (рис. 4.11) обслуживает жилой микрорайон с населением около 5 тыс. человек. В числе зданий, обслуживаемых котельной, - комплекс двух-, четырех - и девятиэтажных домов, детский сад, школа, кинотеатр, магазин.

Солнечно-топливная котельная состоит из существующей котель­ной, работающей по открытой схеме, и гелиоприставки, которая Служит для предварительного нагрева до 30 ... 45 °С подпиточной

А)

Воды, расходуемой на нужды горячего водоснабжения. До требуемой температуры 60 °С вода догревается в котлах, работающих на газе. При наличии солнечной радиации включается насос гелиоконтура, вода после подогрева в коллекторах поступает в водоводяной подог­реватель, где отдает тепло холодной подпиточной воде, прошедшей химическую очистку в котельной. Подогретая подпиточная вода

622-7 97
возвращается в контур котельной. На зимнее время гелиоконтур опорожняется и не используется до окончания отопительного сезона.

Солнечные коллекторы общей площадью 902,7 м2 установлены на уровне земли под углом 40° к горизонту. Коллекторы размещены рядами (рис. 4.12), в каждом не более 48 шт. Ряды соединены парал­лельно. По нечетным рядам вода из подающей магистрали проходит через коллекторы к перемычке, по четным - движется в противо­положном направлении от перемычки в обратную магистраль.

Среднесуточный КПД солнечной установки в период эксплуатации с апреля по сентябрь составил 0,45 ... 0,63. Более высокое значение КПД гелиоприставки солнечно-топливной котельной по сравнению с пообъектными системами горячего водоснабжения обусловлено низкой средней температурой в гелиоконтуре приставки. Температура в гелиоконтуре обследованного объекта составила 31 ... 37 °С, в то время как, например, в гелиосистеме горячего водоснабжения 4-этаж­ного дома (без топливного догревателя), она была 52 ... 60 °С. С повы­шением температуры в гелиоконтуре возрастают потери воспринятого солнечного тепла в окружающую среду и снижается КПД.

Гелиоприставка к существующей котельной проста в эксплуатации. Включение ее в работу не требует реконструкции топливной котельной кроме устройства двух врезок для контура потребления на трубопро­воде химически очищенной воды.

Принципиально новое решение выполнено в экспериментальном проекте солнечно-топливной котельной в 600 квартале г. Ашхабада, которая эксплуатируется с 1987 г. В этой котельной, разработанной ЦНИИЭП инженерного оборудования, солнечная установка не является приставкой к отопительной котельной, а объединена с ее технологичес­кой схемой и образует с баками-аккумуляторами, насосами и тепло­обменниками котельной контур химически очищенной и деаэрирован­ной воды, обеспечивающий на входе в солнечные коллекторы поступ­ление охлажденной воды с постоянной температурой (рис. 4.13). При недостаточной солнечной радиации для нагрева воды в системе кол­лекторов до температуры 60 °С, вода догревается в теплообменнике догрева котловой водой и поступает в баки-аккумуляторы. При доста­точной солнечной радиации теплообменник догрева полностью отклю­чается. На зимний период гелиоконтур опорожняется и не использу­ется до окончания отопительного сезона. Опорожнение всей системы происходит через всасывающую линию насосов горячего водоснаб­жения.

Солнечные коллекторы общей площадью 766 м2 установлены на уровне земли под углом 30° к горизонту и ориентированы на юг. Они соединены между собой в секции по 24 шт. (рис. 4.14). Тепловая схема комбинированной солнечно-топливной котельной предусматривает

Оптимальный нагрев воды в коллекторах до 40 ... 50 °С. Более высокая температура нецелесообразна по условиям работы технологической схемы котельной, что и позволяет повышать эффективность работы коллекторов.

Включение в технологическую схему теплоснабжения оборудова­ния водоподготовки и деаэрации исходной (сырой) воды ограничивает долю замещения солнечной энергией нагрузки горячего водоснабже­ния (по среднегодовой нагрузке) на величину д fg/д <г в • 100 % в соответ­ствии с формулой, учитывающей нагрузки на солнечные коллекторы:

Ос. к^г. в.срА-^/Д'г. в)'

Где QCmK - количество теплоты, вырабатываемой солнечной установкой, Дж; Ог в ср - количество теплоты, вырабатываемой котельной на нужды горячего водоснабжения (по среднечасовой нагрузке, Дж; Д Tq = TT Ъ — f^g - температурный перепад воды в
вакуумном деаэраторе, °С; й TT B = trB — T^ — температурный перепад воды от 65 до 15 °С; (хв0 — температура химически очищенной воды после теплообменника (перед поступле­нием в вакуумный деаэратор), °С.

В соответствии с рекомендациями оптимальный недогрев химичес­ки очищенной воды до температуры деаэрации составляет 15 ... 25 °С, Т.е. = 'г. в ~ 'хво = 15... 25 °С.

При «г-в = 65 ос, tX B = 15 °С (для южных районов в межотопительный период)

°с. к.ср = (0,625... 0,375)<2г вхр,

Т,е. тепловая нагрузка на солнечные коллекторы (среднечасовая) составляет ~60... 40 % средней нагрузки горячего водоснабжения.

Таким образом, для солнечно-топливных котельных доля замеще­ния солнечной энергией нагрузки горячего водоснабжения свыше 60 % нецелесообразна по условиям технологической схемы комбинирован­ной котельной. Однако для солнечных приставок такой вывод сделать нельзя, так как их включение не зависит от технологической (тепло­технической) схемы котельной.

Переоборудование существующих отопительных котельных, где по ряду причин отсутствует химическая доочистка и деаэрация, для солнечно-топливного режима работы возможно путем создания солнеч­ной приставки. Включение последней в технологическую схему котельной, т. е. создание солнечно-топливной котельной, в таких случаях нецелесообразно, так как связано с большими капитальными затратами.

В технических решениях, разработанных ЦНИИЭП инженерного оборудования для котельной г. Чарджоу, рассмотрена работа солнеч­ного контура при использовании двух видов теплоносителя: деаэриро­ванной химически очищенной воды и антифриза. Применение двухкон - турной схемы солнечного теплоснабжения вызвано необходимостью защиты внутренних поверхностей коллекторов от коррозии, а также имеет целью увеличить продолжительность и надежность работы установки.

Солнечная приставка к котельной (рис. 4.15) предназначена для предварительного нагрева исходной (сырой) воды, расходуемой на нужды горячего водоснабжения, до 30 ... 40 °С. Дальнейший догрев воды до требуемой температуры 60 °С осуществляется в теплообмен­нике догрева котловой водой. После теплообменника вода поступает в баки-аккумуляторы горячей воды, откуда насосами горячего водо­снабжения подается потребителю. Солнечная приставка включает в

>5 I 8 §

О, ж

Себя гелиоконтур и контур подпиточной воды. Ее работа предусматри­вается в межотопительный период для частичного покрытия нагрузки горячего водоснабжения.